捆绑式运载火箭一体化模型降阶、模态辨识与姿态控制设计

摘要

随着航天技术的不断发展，运载火箭已由传统的串联模式向捆绑助推器模式转变，特别是随着发射任务对运载能力的需求越来越高，捆绑式运载火箭更是朝着“通用化、模块化、大型化”方向发展，这就对运载火箭的结构动力学建模技术提出了新的要求。对于这种大型柔性航天结构，在结构动力学建模中将其离散化为多自由度系统时，自由度数目通常很大，传统的解析法、半解析法将不再适用，而且捆绑火箭振动模态通常具有低频密集性特点，耦合振动明显，传统的地面试验由于机电信号噪声的影响，使得获得的火箭模态参数容易出现“虚假”数值，增加了模态试验分析的难度。因此有必要开展捆绑火箭的模型降阶技术与模态参数辨识技术研究，使得结构动力学模型阶数得到有效缩减，并且提高运载火箭挠性参数的辨识精度。另一方面，由于捆绑火箭全箭振动形式更加复杂，传统的串联式运载火箭姿态动力学建模方法已经不能有效描述捆绑火箭复杂的姿态运动形式，捆绑火箭的姿态动力学控制设计也变得更加复杂和困难，因此需要对捆绑火箭开展全新的姿态动力学建模与控制器设计研究，来提高姿态动力学模型的准确性和控制器设计的稳定性。
　　本学位论文在国家自然科学基金（11132001,11272202）、上海市教委科研重点项目（14ZZ021）和上海市自然科学基金（14ZR1421000）的资助下，以捆绑式运载火箭为研究对象，分别研究了结构动力学建模与一体化模型降阶方法、模态参数辨识技术、姿态动力学建模方法、控制系统多变量频域设计方法、以及火箭结构动力学与姿态稳定性关系五个方面。主要研究内容和成果总结如下：
　　（1）以捆绑式运载火箭为研究对象，对一体化模型降阶技术进行了深入研究，给出了一个两步模型降阶方法。首先采用双协调自由界面模态综合法对运载火箭有限元模型进行局部降阶，然后采用模态价值分析方法对局部降阶后的模型阶数进一步缩减，得到最终的一体化降阶模型，最后通过数值仿真对所建模型的有效性进行验证。仿真结果表明，双协调自由界面模态综合法的计算精度高于传统的自由界面模态综合法和固定界面模态综合法，在高阶模态频率处优势尤为突出；两步降阶所得到的缩减模型不仅模态阶数更低，而且能够有效地描述原系统的动态特性。
　　（2）对捆绑式运载火箭模态参数的辨识技术进行研究，给出一个基于系统输入和输出数据的结构模态参数辨识方法。首先采用观测器/Kalman滤波器的系统辨识方法（OKID）获取系统的Markov参数，进而采用以加速度计算格式得到的特征系统实现算法（ERA）进行火箭模态参数的识别。研究中分别考虑了三种外部激励形式：白噪声激励、正弦激励、脉冲激励，作为输入信号，加速度传感器测量输出信号。最后仿真结果表明，OKID和 ERA方法能够有效地辨识出捆绑式运载火箭的模态参数，且具有很高的辨识精度。该辨识方法可以作为运载火箭地面试验的一种补充验证。
　　（3）对捆绑式运载火箭的非线性耦合姿态动力学建模方法进行了研究，基于多柔体系统动力学建模技术推导了系统的姿态动力学模型。首先对运载火箭进行轨道设计，给出飞行轨道方程，通过弹道仿真计算得到了其飞行轨道各弹道参数；然后推导出了捆绑式运载火箭的非线性耦合姿态动力学方程，并且通过小扰动理论对该动力学方程进行化简和线性化处理，得到了小扰动线性化姿态动力学模型；最后在 Adams多体动力学分析软件中对捆绑火箭进行建模和数值仿真，并与小扰动线性化姿态动力学数学模型的数值仿真进行对比分析，验证了本文推导模型的可靠性。
　　（4）以捆绑式运载火箭的小扰动线性化姿态动力学模型为对象，开展了系统的多变量频域设计研究。首先针对姿态动力学模型状态方程的系数矩阵维度过高、传递函数中多项式系数有效位数过低的问题，设计了一种新的高精度广义传递函数计算方法，得到了系统三通道耦合的传递函数矩阵；然后基于逆Nyquist设计思想展开姿态动力学控制器的设计，得到捆绑式运载火箭助推飞行段内各个特征秒点处的姿态控制参数；最后将各秒点控制参数整合，对火箭展开全时域变系数姿态动力学数值仿真，验证了传递函数模型的准确性和姿态控制设计的有效性。
　　（5）针对在串联模式运载火箭姿态控制建模中忽略的刚柔耦合惯性力、过载系数、纵向振动、助推器局部模态这四个因素，本文采用小扰动线性化模型，对四个方面进行研究：首先在模型中考虑和忽略与刚柔耦合惯性力相关的小扰动系数来分别进行频域控制设计和全时域姿态动力学仿真，并对两种情况下系统稳定性进行说明；接着在模型中考虑和忽略与过载相关的小扰动系数来分别进行频域控制设计与全时域姿态动力学仿真，得到过载对系统稳定性的影响；然后在模型中，考虑和忽略弹性振动方程中模态数据的纵向位移分量，在这两种情况下对控制系统进行频域控制和全时域姿态动力学仿真，得出纵向模态对姿态稳定性的影响；最后通过分析各阶模态振型，将助推器局部模态从中挑出，对其进行频域控制设计与全时域姿态动力学仿真，得到助推器局部模态对系统稳定性的影响。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2相关领域研究进展

1.3本文主要工作

第二章 捆绑式运载火箭一体化模型降阶理论与研究

2.1引言

2.2捆绑式运载火箭的一体化模型降阶

2.3数值仿真

2.4本章小结

第三章 捆绑式运载火箭的模态参数辨识技术

3.1引言

3.2捆绑式运载火箭动力学模型

3.3参数辨识技术理论

3.4捆绑式运载火箭参数辨识仿真

3.5本章小结

第四章 捆绑式运载火箭姿态动力学建模与分析

4.1引言

4.2运载火箭弹道方程的建立与飞行方案的设计

4.3捆绑式运载火箭耦合姿态动力学分析

4.4本章小结

第五章 捆绑火箭姿态控制系统的高精度设计与分析

5.1引言

5.2基于超高精度算法的运载火箭频域模型

5.3运载火箭多变量姿态控制系统频域设计

5.4捆绑火箭助推飞行段全时域仿真

5.5本章小结

第六章 捆绑火箭结构动力学特性与姿态稳定性关系

6.1前言

6.2刚柔耦合系数与姿态稳定性关系

6.3火箭机动性与姿态稳定性关系

6.4火箭纵向振动与姿态稳定性关系

6.5捆绑火箭振动模态类型与姿态稳定性关系

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2主要创新点

7.3研究展望

参考文献

附录I 第四章姿态动力学耦合系数矩阵分量表达式

附录II 简化姿态动力学方程展开式

附录III 捆绑火箭小扰动线性化方程系数表达式

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目