低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高 晨，劉博龍，劉 洋，劉 秉，李 聃

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

采用雙組元推進(jìn)劑的液體運(yùn)載火箭，存在著由于兩種推進(jìn)劑加注量偏差引起的加注混合比偏差和飛行過(guò)程中由于干擾因素引起的發(fā)動(dòng)機(jī)混合比偏差。為了確保有效載荷入軌，必須留有足夠的推進(jìn)劑安全余量，以克服上述偏差對(duì)有效載荷入軌概率的影響，從而導(dǎo)致火箭的運(yùn)載能力降低。為了減少推進(jìn)劑安全余量，提高火箭的運(yùn)載能力，推進(jìn)劑利用系統(tǒng)成為了液體運(yùn)載火箭的重要組成部分。推進(jìn)劑利用系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的液位高度，計(jì)算出推進(jìn)器兩組元的剩余量，并由控制機(jī)根據(jù)給定的控制方程輸出調(diào)節(jié)閥門控制信號(hào)，利用調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒混合比控制推進(jìn)劑的剩余混合比，盡可能地減少關(guān)機(jī)時(shí)燃燒劑或氧化劑的剩余質(zhì)量。

1 低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)仿真技術(shù)現(xiàn)狀

低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)作為一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示，其系統(tǒng)方案的制定、參數(shù)的選擇需要經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析、試驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，型號(hào)長(zhǎng)期缺乏有效的驗(yàn)證手段，一些型號(hào)也用數(shù)學(xué)仿真對(duì)低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)進(jìn)行總體仿真驗(yàn)證[1]，驗(yàn)證結(jié)果表明：

a）某些關(guān)鍵設(shè)備難以掌控其技術(shù)狀態(tài)，無(wú)法建立較為精確的數(shù)學(xué)模型，只能將其直接接入仿真系統(tǒng)；

b）為了更好地驗(yàn)證軟硬件配合的工作情況，設(shè)計(jì)了半實(shí)物仿真平臺(tái)用于對(duì)低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真。

圖1 低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)控制回路組成示意Fig.1 Compose of the Cryogenic Propellant Utilization System

2 總體架構(gòu)規(guī)劃及仿真流程設(shè)計(jì)

低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)（見(jiàn)圖2）主要包括利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具、液位采集仿真系統(tǒng)、調(diào)節(jié)器仿真系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)、仿真測(cè)試系統(tǒng)，各個(gè)功能模塊分別運(yùn)行在 CPCI硬件平臺(tái)上，采用Matlab+RTW 的實(shí)時(shí)模型建模方式，依靠反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。

圖2 低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.2 Architecture Design of the Cryogenic Propellant Utilization System Simulation Platform

低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)仿真平臺(tái)能夠模擬仿真不同混合比偏差情況下利用系統(tǒng)的工作過(guò)程，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)利用系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器的工作情況和發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)的工作情況，提供全面的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制方程和參數(shù)的設(shè)計(jì)和修改，同時(shí)可以模擬故障注入，驗(yàn)證利用系統(tǒng)在各種故障下的工作情況。具體功能如下：

a）輔助利用系統(tǒng)方案論證與參數(shù)設(shè)計(jì)；

b）驗(yàn)證利用系統(tǒng)閉環(huán)性能，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

c）提供推進(jìn)劑液位測(cè)量算法設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)；

d）提供利用系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)；

e）提供利用系統(tǒng)真實(shí)設(shè)備的測(cè)試平臺(tái)；

f）搭建利用系統(tǒng)單機(jī)快速原型，并實(shí)現(xiàn)飛行代碼的快速加載；

g）仿真發(fā)動(dòng)機(jī)流量變化并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估；

h）友好的人機(jī)界面，能夠快速完成利用系統(tǒng)諸元計(jì)算；

i）利用系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，且規(guī)范軟件模塊之間的接口，便于軟件和模塊功能維護(hù)和升級(jí)；

j）支持故障注入。

圖3為開(kāi)展仿真時(shí)的流程，整個(gè)仿真以推進(jìn)劑質(zhì)量變化為主線，通過(guò)質(zhì)量到容積、到液位傳感器信號(hào)、到測(cè)量高度、貯箱容積、質(zhì)量偏差、再到閥門調(diào)節(jié)指令的計(jì)算輸出。

圖3 低溫利用系統(tǒng)仿真時(shí)流程Fig.3 Simulation Procedure of the Cryogenic Propellant Utilization System Simulation Platform

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具

利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具運(yùn)行在利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作站上，由仿真分析軟件、諸元計(jì)算軟件、快速原型代碼生成等軟件模塊組成。實(shí)現(xiàn)利用系統(tǒng)諸元自動(dòng)生成，完成利用系統(tǒng)參數(shù)的總體設(shè)計(jì)與仿真，為液位采集仿真系統(tǒng)、箭機(jī)仿真系統(tǒng)、調(diào)節(jié)器仿真系統(tǒng)提供閥門控制算法參考，為發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)提供火箭動(dòng)力學(xué)仿真封裝庫(kù)。

3.2 利用系統(tǒng)仿真測(cè)試系統(tǒng)

仿真測(cè)試系統(tǒng)是進(jìn)行利用系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試的主控系統(tǒng)，由總控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及相關(guān)軟件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)仿真模式、仿真流程的控制，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理與回放。提供利用系統(tǒng)各仿真模塊實(shí)時(shí)仿真的平臺(tái)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，提供利用系統(tǒng)各仿真模塊實(shí)時(shí)仿真的硬件通路，完成對(duì)全系統(tǒng)仿真的操作控制，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、測(cè)試數(shù)據(jù)分析和報(bào)告自動(dòng)生成等功能。

3.3 利用系統(tǒng)箭機(jī)仿真系統(tǒng)

箭機(jī)仿真系統(tǒng)采用DSP+FPGA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)DSP配置文件實(shí)現(xiàn)箭機(jī)原型快速下載，替代仿真閉環(huán)回路中的部分仿真模塊，實(shí)現(xiàn)箭上真實(shí)信號(hào)的測(cè)試與驗(yàn)證，為考核真實(shí)利用系統(tǒng)箭機(jī)提供測(cè)試環(huán)境。

3.4 利用系統(tǒng)調(diào)節(jié)器仿真系統(tǒng)

調(diào)節(jié)器仿真系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)同步信息從光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)讀取來(lái)自液位采集仿真系統(tǒng)的液位高度信號(hào)，進(jìn)行剩余推進(jìn)劑質(zhì)量計(jì)算，根據(jù)控制器模型和閥門調(diào)節(jié)算法計(jì)算結(jié)果，將閥門控制調(diào)節(jié)結(jié)果以數(shù)字信號(hào)形式輸出供下級(jí)仿真單元使用。

3.5 利用系統(tǒng)液位采集系統(tǒng)

利用系統(tǒng)液位采集系統(tǒng)主要依據(jù)系統(tǒng)同步信息從光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)接收發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模塊輸出的流量和晃動(dòng)信息，通過(guò)模擬利用系統(tǒng)箭上傳感器的采集、信息轉(zhuǎn)換和處理功能，為利用系統(tǒng)仿真及測(cè)試模擬生成各貯箱的推進(jìn)劑液位信號(hào)。

3.6 箭體動(dòng)力學(xué)及發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)同步信息從光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)讀取來(lái)自調(diào)節(jié)器仿真系統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)信息，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字仿真模型和箭體晃動(dòng)六自由度仿真模型，產(chǎn)生實(shí)際的推進(jìn)劑流量數(shù)字信號(hào)和液位晃動(dòng)信息數(shù)字信號(hào)，并將相關(guān)信號(hào)發(fā)送到光纖反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)供液位采集仿真系統(tǒng)使用。

4 半實(shí)物仿真平臺(tái)的驗(yàn)證

建立某型號(hào)低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)模型，利用系統(tǒng)箭機(jī)仿真系統(tǒng)采用某型號(hào)真實(shí)利用控制機(jī)開(kāi)展仿真試驗(yàn)，使用某發(fā)真實(shí)裝訂的數(shù)據(jù)開(kāi)展地面復(fù)現(xiàn)仿真，驗(yàn)證該仿真平臺(tái)的正確性。通過(guò)在貯箱液位上疊加一個(gè)峰值為5 mm、頻率為1.5 rad/s的正弦波來(lái)模擬液位晃動(dòng)。仿真結(jié)果與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)比對(duì)如圖4～6所示。

圖4 氫箱三角波電壓曲線比對(duì)特性曲線Fig.4 Compare of Voltage of the Hydrogen Tank Sensor

圖5 氫箱液位高度變化曲線比對(duì)特性曲線Fig.5 Compare of Liquid Level of the Hydrogen Tank

圖6 氧箱液位高度變化曲線比對(duì)特性曲線Fig.6 Compare of Liquid Level of the Oxygen Tank

圖6 中仿真為實(shí)時(shí)算出所有參數(shù)，而實(shí)際飛行僅在低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)啟控后才開(kāi)始計(jì)算，所以曲線在開(kāi)始段略有不同。圖7為B值變化與閥門調(diào)節(jié)狀態(tài)的仿真結(jié)果。

從圖 7可以看出，氫、氧箱三角波電壓變化和液位高度變化的仿真曲線與實(shí)際飛行大致相同，整個(gè)仿真基本上達(dá)到了對(duì)某型號(hào)低溫推進(jìn)劑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證的目的。而仿真的 B值變化與閥門調(diào)節(jié)狀態(tài)與實(shí)際飛行不盡相同，存在差異原因主要有：a）液位傳感器模型存在差異，實(shí)際使用的液位傳感器存在著較強(qiáng)且未被認(rèn)識(shí)的非線性特性；b）由于發(fā)動(dòng)機(jī)模型存在天地差異性，該模型未被精確建模。正是由于以上原因，導(dǎo)致仿真的 B值變化與閥門調(diào)節(jié)狀態(tài)與實(shí)際飛行不盡相同，如需完成需要較精確的模型。

圖7 仿真B值變化曲線與閥門調(diào)節(jié)狀態(tài)特性曲線Fig.7 Compare of the B Value and the Valve State

5 結(jié) 論

本文在CPCI硬件平臺(tái)上，使用Matlab+RTW的實(shí)時(shí)模型建模方式，依靠反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，用模塊化的方法建立了低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，最后對(duì)所建仿真模型進(jìn)行測(cè)試。仿真結(jié)果表明，半實(shí)物仿真平臺(tái)達(dá)到了對(duì)低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證的目的。在后續(xù)的研究工作中，一方面將采用真實(shí)的液位傳感器浸泡在液氮貯箱中，另一方面將加入過(guò)載引起的推進(jìn)劑流量變化等天地差異性的因素引入模型，逐步修正模型使其更為精確，對(duì)利用系統(tǒng)的整體性能效果進(jìn)行考核。