[发明专利]具备动力冗余能力的多发动机并联火箭控制装置及控制方法

说明书

本申请提供了一种具备动力冗余能力的多发动机并联火箭控制装置，包括：检测设备，运算设备和执行设备，所述检测设备用于采集发动机核心工作参数；所述运算设备将采集到的所述参数进行基于故障模型的智能解算和分析，根据相应的智能算法给出发动机故障诊断结果，并根据所述诊断结果选择相应的控制策略；和所述执行设备接收所述运算设备给出的指令，并执行相应的控制策略。此外，本申请还提供了一种采用所述控制装置进行多发动机并联火箭控制的方法。

技术领域

本申请涉及一种具备动力冗余能力的多发动机并联火箭控制装置，属于运载火箭控制技术领域。

背景技术

液体火箭发动机是液体火箭的核心系统，复杂度高，工作环境恶劣，在火箭飞行过程中属于最容易出现故障的一个系统，据不完全统计，在全球液体运载火箭因故障导致飞行过程失败的案例中，发动机故障可占到50％以上。

为解决发动机故障导致的运载火箭飞行可靠性不足的问题，研究人员主要从两个方面进行尝试：一则是提高单台发动机的可靠性；二则是通过多台发动机的并联实现冗余设计。目前，国内外虽然一直在致力于提高单台发动机的可靠性，但受制于设计手段、试车试验次数、材料可靠性、环境适应性、人员疏忽、管理不到位等各方面因素制约，效果有限。

美国和前苏联在上个世纪六、七十年代即通过多台发动机的并联冗余设计去提高火箭整体可靠性，尤其是载人运载火箭。经过几十年的发展，美国在多发动机冗余设计方面积累了大量的研制经验和发动机故障诊断数据，大幅提高了运载火箭整体可靠性，比较有名的例如载人登月的土星V号运载火箭、高轨道载荷发射的德尔塔I V运载火箭、SpaceX公司的猎鹰-9/猎鹰重型运载火箭等都采用了多发动机的冗余设计。

我国在多发动机并联冗余设计方面则积累较少，已投入使用的液体运载火箭还没有具备动力冗余的能力，一方面是因为我国液体运载火箭单子级采用的发动机台数较少，不具备动力冗余的系统架构，另一方面我国受苏联N-1火箭失败影响较大，认为多发动机的并联冗余设计并不能增加可靠性。随着近些年对动力冗余认识的进一步提高和美国成功的案例，对动力冗余重要性的认识也逐步达成一致：当火箭只有1台发动机时，发动机必须能够正常工作，否则火箭将失去动力；当火箭拥有2台双摆或3台单摆发动机时，所有发动机也必须能够正常工作，否则火箭将失去控制力；当火箭拥有4台或5台发动机时，所有发动机最好都能够正常工作，否则火箭起飞推重比不足，或入轨时间过长，重力损失太多，导致无法正常入轨。因此，当火箭拥有大量发动机时，我们看到了这样一种可能：允许1台或数台发动机不工作，仍能保证火箭的姿控控制和拥有足够的推力。

可靠性的量化评价准则与方法如下：

假设某子级共有n台同样的发动机，单台发动机可靠性为Q，并认为故检系统和控制系统设计的可靠性为1，设所有发动机编号成1、2～n，则可计算1台发动机失效同时至少n-1台发动机可靠工作的概率为：

n台发动机均可靠工作的概率+1号失效、其它n-1台可靠工作的概率+2号失效、其它n-1台可靠工作的概率+…+n号失效、其它n-1台可靠工作的概率。

即可靠性为：

同理，当允许两台发动机停机时，可靠性为：

当我们假设最低要求为16台发动机可靠工作，考虑Q取为0.99～0.999范围，则得到16台、17台和18台发动机可靠性如下表以及图1所示。

表1不同冗余情况的发动机可靠性