Патент на изобретение №2209158

(54) СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ УСЛОВНОГО ВРЕМЕНИ СГОРАНИЯ МАССЫ РАЗГОННОГО БЛОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к космической технике, а более конкретно к бортовым средствам терминального управления разгонных блоков с нерегулируемыми маршевыми ракетными двигателями. В соответствии с предложенным способом, в дискретные моменты времени измеряют сигнал кажущегося ускорения, обращают его и умножают на сигнал, пропорциональный удельному импульсу тяги маршевого двигателя. Значения сигналов запоминают, интегрируют (суммируют) и прибавляют к сумме времен измерений кажущегося ускорения. Вычисляют условное время сгорания массы разгонного блока путем деления полученной суммы на количество выполненных измерений. При этом для каждого маневра разгонного блока измеренные значения представляют в виде последовательности на мерных интервалах. Из последовательности вычисленных по ним значений указанного условного времени сгорания выбирают значения, полученные в конце каждого мерного интервала. В качестве условного времени сгорания принимают среднее значение из указанных выбранных значений и начального значения данного времени сгорания. Это время для первого маневра задают, а на последующих маневрах принимают равным разности между его вычисленным значением и временем его идентификации на предыдущем маневре. Способ обеспечивает снижение влияния разброса характеристик ракетного двигателя на процесс управления. Изобретение направлено на повышение точности и быстродействия вычисления времени отсечки маршевого ракетного двигателя разгонного блока и определения, на его основе, траектории движения этого блока. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к космической технике, а именно к области техники, связанной с терминальным управлением разгонных блоков с нерегулируемой тягой маршевого двигателя.

Наиболее близким техническим решением является способ идентификации условного времени сгорания массы разгонного блока, заключающийся в том, что в дискретные моменты времени измеряют сигнал кажущегося ускорения, формируют сигнал обратной величины кажущегося ускорения, умножают его на сигнал, пропорциональный удельному импульсу тяги маршевого двигателя, полученный таким образом сигнал в дискретные моменты времени запоминают, интегрируют и суммируют с суммой времен измерений кажущегося ускорения и определяют условное время сгорания массы разгонного блока путем деления полученной суммы на количество выполненных измерений кажущегося ускорения [1].

Одной из основных операций терминального управления разгонных блоков с нерегулируемой тягой маршевых двигателей является прогноз момента времени отсечки маршевого двигателя, определяемого из условия достижения заданного функционала при отработке текущей программы ориентации тяги двигателя. На этот момент определяют параметры движения разгонного блока и отклонения от заданной орбиты, по которым выполняется коррекция программ ориентации тяги маршевого двигателя.

В качестве модели прогноза траекторного движения разгонного блока как материальной точки используется система дифференциальных уравнений:


где – вектор абсолютной скорости;
– кажущееся ускорение;
– единичный вектор тяги;
– радиус-вектор;
– вектор гравитационного ускорения.

Для установившегося режима работы маршевого двигателя в пустоте кажущееся ускорение определяется по формуле:

где р – тяга маршевого двигателя;
m₀ – масса разгонного блока на момент начала маневра;
– секундный расход топлива;
t – время, отсчитываемое от начала маневра.

Соотношение (1) может быть представлено в виде:

где – условное время сгорания массы m₀ разгонного блока;
– удельный импульс тяги маршевого двигателя.

Как показывает практика, для разгонного блока с нерегулируемой тягой маршевого двигателя возможный разброс отклонений удельного импульса от его номинального значения незначителен (менее 1%), тогда как отклонения по тяговооруженности могут быть в пределах 8%.

С учетом этого величина параметра _O может иметь разброс до 10% от ее номинального значения, что существенным образом сказывается на точности выполнения прогноза траекторного движения разгонного блока и выполнении задач полета.

Нормальное функционирование терминального управления и требуемая точность построения орбит, как показывают расчеты, обеспечивается при точности определения параметра _O не хуже 1% от его действительного значения.

При отсутствии на борту разгонного блока датчиков, измеряющих тягу и секундный расход топлива, значение параметра _O может быть определено путем его идентификации, базирующейся на информации о текущем значении модуля кажущегося ускорения .

Из уравнения (2) получим зависимость:

где



Соотношение (3) при условии постоянства удельного импульса тяги маршевого двигателя J определяет линейное по времени изменение величины, обратной кажущемуся ускорению, в котором коэффициент а пропорционален параметру _O.

Задачей идентификации является определение параметра _O по значениям у_i, полученным в моменты времени t_i.

В известном способе процесс идентификации основан на сглаживании значений у_i по методу наименьших квадратов [2] и определению по результатам этого процесса параметра _O.

На основании этого метода по n измеренным значениям в моменты времени t_i значение параметра _O находится по формуле:

Недостатком известного способа определения параметра _O является тот факт, что возможные флюктуации и низкочастотные изменения тяги двигателя через измеренные значения кажущегося ускорения сказываются на точности определения условного времени сгорания массы разгонного блока _O и, как следствие этого, на точности выполнения прогноза движения разгонного блока и коррекции программы ориентации тяги двигателя в процессе выполнения маневра.

Так при низкочастотном колебании кажущегося ускорения в пределах10% от его номинального значения с периодом Т=100 с при вычислении параметра _O/ вход в трубку погрешности 1% выполняется на 160-й секунде после начала идентификации. Изменение погрешности вычисления до входа в эту трубку имеет колебательный характер.

Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия и точности определения условного времени сгорания массы разгонного блока путем снижения влияния нестационарности характеристик двигателя разгонного блока и флюктуаций погрешностей измерения кажущегося ускорения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе идентификации условного времени сгорания массы разгонного блока, заключающемся в том, что в дискретные моменты времени измеряют сигнал кажущегося ускорения, формируют сигнал обратной величины кажущегося ускорения, умножают его на сигнал, пропорциональный удельному импульсу тяги маршевого двигателя, полученный таким образом сигнал в дискретные моменты времени запоминают, интегрируют и суммируют с суммой времен измерений кажущегося ускорения и определяют условное время сгорания массы разгонного блока путем деления полученной суммы на количество выполненных измерений кажущегося ускорения, из последовательности значений условного времени сгорания массы разгонного блока выбирают значения, полученные в конце каждого мерного интервала измерения кажущегося ускорения, и в качестве условного времени сгорания массы разгонного блока принимают среднее значение выбранных величин и начального значения условного времени сгорания массы разгонного блока, величину которого для первого маневра задают, а на последующих маневрах принимают равной разности между вычисленным значением условного времени сгорания массы разгонного блока и временем идентификации на предыдущем маневре.

На фиг. 1 представлена схема последовательности определения условного времени сгорания массы разгонного блока _Oj; на фиг.2 – структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Способ реализуется следующим образом.

Измеренные значения кажущегося ускорения представляются в виде последовательности значений на j-мерных интервалах, содержащих К измерений, и идентификация условного времени сгорания массы выполняется путем нахождения средней величины его начального значения _OO и m значений, определенных в конце каждого мерного интервала, причем в качестве начального значения условного времени для первого маневра принимается заданное в полетном задании его номинальное значение, а для последующих маневров – величина, определенная на предыдущем маневре как разность между вычисленным значением условного времени сгорания массы разгонного блока и длительностью процесса идентификации на маневре.

Таким образом, условное время сгорания массы в предлагаемом способе определяется по формуле:

где
m – номер последнего полного мерного интервала;
К – количество замеров на мерном интервале;
n – количество выполненных измерений;
_OO – начальное значение параметра _O;

_Oпз – заданное в полетном задании номинальное значение _O;
_Oпрм – значение параметра _O с предыдущего маневра;
t_прм – длительность процесса идентификации на предыдущем маневре.

Пример устройства, реализующего предлагаемый способ идентификации условного времени сгорания массы разгонного блока (фиг.2), содержит последовательно соединенные измеритель кажущегося ускорения (ИКУ) 1, определитель обратной величины (ООВ) 2, первый интегратор 3 и вычислитель условного времени сгорания массы разгонного блока (ВУВСМРБ) 4, счетчик времени (СВ) 5, выход которого через сумматор времен измерений (СВИ) 6 подключен ко второму входу, а выход счетчика тактов (СТ) 7 – к третьему входу вычислителя условного времени сгорания массы разгонного блока 4, выход счетчика тактов 7 через последовательно соединенные счетчик мерных интервалов (СНВИ) 8, умножитель 9 и второй интегратор 10 подключен к первому входу делителя 11, второй выход счетчика мерных интервалов 8 соединен со вторым входом делителя 11, а выход вычислителя условного времени сгорания массы разгонного блока 4 соединен со вторым входом умножителя 9.

Устройство идентификации условного времени сгорания массы разгонного блока работает следующим образом.

Кажущееся ускорение с выхода измерителя кажущегося ускорения 1 поступает на первый вход вычислителя условного времени сгорания массы разгонного блока 4 (в дальнейшем – вычислитель 4) через определитель обратной величины 2, где формируется величина, обратная кажущемуся ускорению и первый интегратор 3, где суммируются обратные функции
Со счетчика времени 5 время t_i измерения кажущегося ускорения поступает на второй вход вычислителя 4 через сумматор времен измерений 6, где выполняется суммирование времен выполнения замеров кажущегося ускорения.

Со счетчика тактов 7 количество n выполненных измерений кажущегося ускорения поступает на третий вход вычислителя 4 и на вход счетчика мерных интервалов 8. Время t_i и счет тактов вычислений отсчитываются от момента начала идентификации параметра _O на каждом маневре. Перед каждым маневром первый интегратор 3, сумматор времен измерений 6, счетчик тактов 7, счетчик мерных интервалов 8 и интегратор 10 обнуляются.

В вычислителе 4 по информации, поступившей на каждом такте ее обновления на 1-3 входы, определяется текущая оценка условного времени сгорания топлива _O по зависимости (5).

В счетчике мерных интервалов 8 после каждого интервала, состоящего из К тактов счета, номер интервала j изменяется на единицу, то есть j=j+1, если n=(j+1)K, причем в начале каждого маневра принимается n=0, j=0.

Значение j+1 поступает со второго выхода счетчика мерных интервалов 8 на второй вход делителя 11. Одновременно с изменением j с первого выхода счетчика мерных интервалов 8 на второй вход умножителя 9 поступает признак = 1, принимающий значение = 0, когда нет изменения j.

На первый вход умножителя 9 поступает оценка параметра _O на каждом такте. При = 1 на выходе умножителя 9 формируется значение _Oj при j0, которое поступает на вход второго интегратора 10, на выходе которого формируется сумма определяемая как

где _OO – начальное значение параметра _O/ ;
_Oj – значение параметра _O, вычисленное на j-м интервале.

С выхода второго интегратора 10 вычисленная сумма приходит на первый вход делителя 11 в качестве делимого, а на второй вход – в качестве делителя – значение j+1. На выходе делителя 11 формируется сглаженное значение условного времени сгорания массы разгонного блока _O.

При вышеуказанных условиях изменения кажущегося ускорения процесс идентификации параметра _O по предлагаемому способу выполнен при количестве замеров на мерном интервале К=100 и такте счета 0,2 с.

Предложенный способ позволил выполнить вход погрешности в трубку 1% за 40 с, что в четыре раза быстрее, чем в прототипе. При этом значительно снижена колебательность процесса.

Литература
1. Сыров А.С., Соколов В.Н., Ежов В.В., Кислик Л.И. Алгоритм наведения разгонного блока с нерегулируемым маршевым двигателем и малой тяговооруженностью. Авиакосмическая техника и технология, 1998, 1, с.31-33.

2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. M.: Физматгиз, 1962, с. 340.

Формула изобретения

Способ идентификации условного времени сгорания массы разгонного блока, заключающийся в том, что в дискретные моменты времени измеряют сигнал кажущегося ускорения, формируют сигнал обратной величины кажущегося ускорения, умножают его на сигнал, пропорциональный удельному импульсу тяги маршевого двигателя, полученный таким образом сигнал в дискретные моменты времени запоминают, интегрируют и прибавляют к сумме времен измерений кажущегося ускорения, вычисляют условное время сгорания массы разгонного блока путем деления полученной суммы на количество выполненных измерений кажущегося ускорения, отличающийся тем, что для каждого маневра разгонного блока измеренные значения кажущегося ускорения представляют в виде последовательности на мерных интервалах и из последовательности вычисленных значений условного времени сгорания массы разгонного блока выбирают значения, полученные в конце каждого мерного интервала измерения кажущегося ускорения, а в качестве условного времени сгорания массы разгонного блока принимают среднее значение из указанных выбранных значений и начального значения условного времени сгорания массы разгонного блока, которое для первого маневра задают, а на последующих маневрах принимают равным разности между вычисленным значением условного времени сгорания массы разгонного блока и временем его идентификации на предыдущем маневре.

РИСУНКИ