一种运载火箭及其姿态冗余控制系统和方法与流程

本发明涉及火箭姿控系统，尤其涉及一种运载火箭及其姿态冗余控制系统和方法。

背景技术：

1、由于小型运载火箭具有发射准备时间短、易于运输、对发射场地要求不高等特点，可以随时将微小卫星送入外太空，及时获取突如其来的自然灾害或突发事件的破坏情况，满足通讯、气象、科考等领域对卫星信息的需求。近年来，微小卫星的广泛应用和空间快速响应技术的迅速发展，为小型固体运载火箭提供了广阔的发展空间。小型运载火箭在飞行过程中的姿态控制主要依靠火箭上面级的姿控发动机进行控制，由于小型运载火箭空间和运载能力限制，一般只有一套姿控系统，一套姿控系统由若干个姿控发动机组成，分别用于控制火箭俯仰、偏航和滚转三个方向的姿态，进而确保箭体可沿预定弹道飞行，将卫星顺利送入预定轨道。现有姿控方案姿控发动机的数量一般在4～20个左右，姿控发动机一般按俯仰、偏航和滚转分开进行布局且单独控制，每个发动机只能用于控制一个通道且无备份，若其中一个姿控发动机出现故障，火箭的飞行姿态均会发散，进而导致飞行任务的失败。针对上述问题，在现有技术中，通过“井”字型布局实现冗余来解决，但是该冗余措施会引入额外的控制干扰，导致通道控制能力下降，箭体稳定性较差。

2、因此，亟需一种运载火箭及其姿态冗余控制系统和方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种运载火箭及其姿态冗余控制系统和方法，解决传统姿控布局无法实现冗余以及现有冗余布局引出额外干扰的问题，运载火箭的飞行可靠性较高。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种运载火箭姿态冗余控制系统，包括：

4、第一发动机组，包括四个第一发动机，四个所述第一发动机的其中两个为俯仰发动机，另外两个为偏航发动机，两个所述俯仰发动机和两个所述偏航发动机沿火箭的周向间隔且均匀地交错设置，两个所述俯仰发动机的喷管相背设置，两个所述偏航发动机的喷管相背设置；

5、第二发动机组，包括四个滚转发动机，四个所述滚转发动机沿两个所述俯仰发动机所在直线或两个所述偏航发动机所在直线对称设置，且每相邻一个所述俯仰发动机和一个所述偏航发动机之间设置一个所述滚转发动机，每个所述滚转发动机的推力线与所述火箭的径线不重合，并与相邻的所述俯仰发动机和所述偏航发动机的推力线均呈锐角；

6、每个所述第一发动机两侧相邻的两个所述滚转发动机为其的冗余。

7、作为一种运载火箭姿态冗余控制系统的优选方案，每个所述滚转发动机的推力线和与其相邻的所述俯仰发动机以及所述偏航发动机的推力线之间的夹角均为45°。

8、作为一种运载火箭姿态冗余控制系统的优选方案，每个所述滚转发动机的推力为f1，所述俯仰发动机和所述偏航发动机的推力均为f2，f1和f2满足下式：

9、一种运载火箭，包括上述任一技术方案所述的运载火箭姿态冗余控制系统。

10、一种运载火箭姿态冗余控制方法，基于上述任一技术方案所述的运载火箭姿态冗余控制系统，所述运载火箭姿态冗余控制方法包括以下步骤：

11、检测所述第一发动机组和所述第二发动机组是否失效；

12、若所述第一发动机组和所述第二发动机组均正常，则进入正常姿控程序：

13、通过控制两个所述俯仰发动机的启停控制所述火箭的俯仰；

14、通过控制两个所述偏航发动机的启停控制所述火箭的偏航；

15、通过控制四个所述滚转发动机的启停控制所述火箭的滚转；

16、若某一所述第一发动机失效，则控制失效的所述第一发动机的两侧相邻的两个所述滚转发动机启停，以代替所述失效的第一发动机。

17、作为一种运载火箭姿态冗余控制方法的优选方案，通过控制四个所述滚转发动机的启停控制所述火箭的滚转包括以下步骤：

18、在四个所述滚转发动机中，通过控制不相邻的两个所述滚转发动机的同时启停控制所述火箭的第一方向的滚转，并通过控制另外不相邻的两个所述滚转发动机的同时启停控制所述火箭的第二方向的滚转。

19、作为一种运载火箭姿态冗余控制方法的优选方案，若某一所述滚转发动机失效，通过控制与所述失效的滚转发动机不相邻的所述滚转发动机的启停控制所述火箭的滚转，并通过控制与所述失效的滚转发动机两侧相邻的两个所述第一发动机调整所述火箭的姿态，以消除单个所述滚转发动机控制所述火箭滚转产生的干扰。

20、作为一种运载火箭姿态冗余控制方法的优选方案，检测所述第一发动机组和所述第二发动机组是否失效包括：

21、启动所述第一发动机组和所述第二发动机组；

22、通过设置在每个所述第一发动机喷管处的第一温度传感器获取每个所述第一发动机喷管处的第一温度，并通过设置在每个所述滚转发动机喷管处的第二温度传感器获取每个所述滚转发动机喷管处的第二温度；

23、若其中一个所述第一温度的值不变，则表示对应的所述第一发动机失效，若其中一个所述第二温度的值不变，则表示对应的所述第二发动机失效。

24、本发明的有益效果为：

25、本发明提供一种运载火箭姿态冗余控制系统，该运载火箭姿态冗余控制系统包括第一发动机组和第二发动机组，通过两个俯仰发动机能控制火箭的俯仰姿态，通过两个偏航发动机能控制火箭的偏航姿态，通过四个滚转发动机控制火箭的滚转姿态；且每个第一发动机均具有冗余，当某一第一发动机失效时，通过启动为其冗余的两个滚转发动机即可实现替代，由于四个滚转发动机对称布置，为第一发动机冗余的两个滚转发动机替代失效的第一发动机不会引入额外的干扰，其与失效的第一发动机控制精度一致，保证火箭正常入轨；四个滚转发动机的布置，使得当一个滚转发动机失效时，与其不相邻的滚转发动机也能单独工作实现火箭的滚转，同时，在经过长时间的单个滚转发动机控制火箭滚转后，通过俯仰发动机和偏航发动机能对火箭的姿态进行调整，消除单个滚转发动机控制火箭滚转产生的姿态偏差，保证火箭姿态控制的精度和正常飞行。

26、本发明还提供一种运载火箭，通过设置上述的运载火箭姿态冗余控制系统，该运载火箭的飞行姿态控制精度较高，飞行可靠性较佳。

27、本发明还提供一种运载火箭姿态冗余控制方法，通过检测第一发动机组和第二发动机组是否失效，并根据检测结果启动不同的第一发动机和滚转发动机实现火箭姿态的高精度控制，从而保证火箭的正常飞行和入轨。

1.一种运载火箭姿态冗余控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的运载火箭姿控系统，其特征在于，每个所述滚转发动机的推力线和与其相邻的所述俯仰发动机以及所述偏航发动机的推力线之间的夹角均为45°。

3.根据权利要求1所述的运载火箭姿控系统，其特征在于，每个所述滚转发动机的推力为f1，所述俯仰发动机和所述偏航发动机的推力均为f2，f1和f2满足下式：

4.一种运载火箭，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的运载火箭姿态冗余控制系统。

5.一种运载火箭姿态冗余控制方法，基于权利要求1-3任一项所述的运载火箭姿态冗余控制系统，其特征在于，所述运载火箭姿态冗余控制方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的运载火箭姿态冗余控制方法，其特征在于，通过控制四个所述滚转发动机的启停控制所述火箭的滚转包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的运载火箭姿态冗余控制方法，其特征在于，若某一所述滚转发动机失效，通过控制与所述失效的滚转发动机不相邻的所述滚转发动机的启停控制所述火箭的滚转，并通过控制与所述失效的滚转发动机两侧相邻的两个所述第一发动机调整所述火箭的姿态，以消除单个所述滚转发动机控制所述火箭滚转产生的干扰。

8.根据权利要求5所述的运载火箭姿态冗余控制方法，其特征在于，检测所述第一发动机组和所述第二发动机组是否失效包括：