一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法
【专利摘要】本发明涉及一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法，依次包括：一、采集各类频率信息；二、当刚体运动的通频带与一阶弹性振动频率相差在10倍以上，采用弹性幅值稳定方法；三、在振型斜率为0的地方引入速率陀螺；四、当晃动的零点频率大于极点频率时，通过加速度表反馈或者附加防晃板改善晃动稳定性；五、对于舵机，其通频带为刚体运动通频带的5～10倍；六、惯组通频带为刚体运动带宽的10～20倍；七、保证执行机构和敏感机构的结构刚度在单机带宽的5倍以上；八、避免外界干扰的主频率与结构件的固有频率耦合；九、进行各类频率特性的地面试验测试，确保飞行器的姿态稳定。本发明可以避免方案的反复，加快研制进度，且使各系统接口明确、综合最优。
【专利说明】一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法，特别是涉及一种以控 制系统为核心，以提高飞行器总体性能为目标，将影响飞行器姿态稳定的各种运动信息、夕卜 界干扰信息等进行综合与分配，主动排除不利耦合，优化各系统实现总体最优的高超声速 飞行器姿态稳定的频率管理方法。
【背景技术】
[0002]高超声速飞行器各分系统从性能到结构设计上高度耦合、各分系统设计参数相互 影响、总体性能对分系统参数高度灵敏，其研制过程是一项系统工程。同时，弹体运动模态 复杂、飞行环境恶劣、外界干扰等不确定因素较多，它们都影响着飞行器的稳定飞行。当各 分系统之间、各运动之间以及弹体与环境、干扰之间相互耦合，而没有得到有效控制时，就 会导致飞行器姿态失稳或者结构发散。
[0003]传统上，一般各系统首先进行本系统的传递特性和运动特性信息的计算，将结果 输入给姿态控制系统，然后姿控系统设计人员根据各系统提供的数据对姿控系统的稳定性 进行评估，如不满足稳定设计要求就需要对控制参数进行重新设计，当通过重新设计参数 仍无法满足稳定要求时，再对结构等相关系统提出反要求，该设计思路耗时、耗力，更重要 的是易造成方案的反复，拖延研制进度，因此，有必要采用一种更优的设计方法。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种将影响飞行器姿态稳定的各种运动信息、夕卜 界干扰信息等进行综合与分配，主动排除不利耦合，优化各系统实现总体最优的高超声速 飞行器姿态稳定的频率管理方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法，依 次包括:
[0006]第一步、采集飞行器模型的各类频率信息，包括:运动的频率特性、单机的频率特 性、关键结构部件的频率特性、以及外界干扰的频率特性；
[0007]所述运动的频率特性包括刚体运动、弹性振动和晃动的频率特性；所述单机的频 率特性包括舵机、惯组的频率特性；所述关键结构部件的频率特性包括惯组安装支架、舵的 传动机构的频率特性；所述外界干扰的频率特性包括喷流、气流振荡、陀螺噪声、风的频率 特性；
[0008]第二步、当刚体运动的通频带与一阶弹性振动频率相差在10倍以上，采用弹性幅 值稳定方法；否则采用相位稳定方法；
[0009]第三步、在振型斜率为0的地方引入速率陀螺，以调和刚体运动和弹性振动稳定 矛盾;
[0010]第四步、当晃动的零点频率大于极点频率时，通过加速度表反馈或者附加防晃板 改善晃动稳定性；[0011]第五步、对于舵机，其通频带为刚体运动通频带的5?10倍，保持低频相位不受 损；
[0012]第六步、对于惯组，其通频带为刚体运动带宽的10?20倍，同时避免谐振峰的出 现；
[0013]第七步、对于关键结构部分，保证执行机构和敏感机构的结构刚度在单机带宽的5 倍以上；同时减小传动机构的间隙等非线性环节的影响；
[0014]第八步、对于外界干扰，避免外界干扰的主频率与结构件的固有频率耦合；
[0015]第九步、根据对各类频率特性分配后的需求，进行各类频率特性的地面试验测试， 确保飞行器的姿态稳定。
[0016]本发明可以在保证姿态稳定的同时，避免方案的反复，加快研制进度，且使各系统 接口明确、综合最优，有效减轻高超声速飞行器复杂外形、高性能等指标与研制进度之间的 矛盾，并在一定程度上缓解了当前高超声速气动环境不确定造成的姿态稳定压力。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为传统的频率管理方法。
[0018]图2为本发明提供的一种新型的高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法。 【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0020]本专利提出的高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法，可以在研制方案初期对 飞行器的主要频率信息进行综合分配管理，在加快研制进度的同时，避免方案的反复，且使 各系统接口明确、综合最优。具体来说，本发明依次包括以下步骤:
[0021]第一步、采集飞行器模型的各类频率信息，包括:运动的频率特性(刚体运动、弹性 振动和晃动)、单机的频率特性(舵机、惯组)、关键结构部件的频率特性(惯组安装支架、舵 的传动机构)、外界干扰的频率特性(喷流、气流振荡、陀螺噪声、风);
[0022]第二步、刚体运动通频带与一阶弹性振动频率相差需在10倍以上，此时采用弹性 幅值稳定方法，否则采用相位稳定方法。
[0023]第三步、当刚体运动和弹性振动稳定矛盾不可调和时，可在振型斜率为0的地方 引入速率陀螺，以有效化解刚体运动和弹性振动稳定的矛盾。根据上述刚体运动和弹性振 动稳定要求，可提出气动布局需求、质量分布需求和结构刚度需求，并利用风洞试验和全弹 模态试验进行刚体运动和弹性振动频率特性的验证；
[0024]第四步、晃动与姿态运动的耦合是通过惯性力引入的，考虑晃动后闭环系统的稳 定性决定于晃动零、极点的分布结构，当晃动的零点频率大于极点频率时，姿态运动与晃动 耦合不稳定，可通过加速度表反馈或者附加防晃板等措施改善晃动稳定性。因此，由晃动稳 定可提出加速度表反馈或者附加防晃板的需求，采用晃动试验进行晃动频率的验证；
[0025]第五步、对于舵机,其通频带一般为刚体运动通频带的5?10倍,保持低频相位不 受损失，以快速相应姿态系统指令，同时具有较好的高频滤波作用以利于高阶弹性振动幅 值稳定。根据该原则并结合姿控网络设计情况提出舵机的幅相频要求；
[0026]第六步、对于惯组，其通频带主要由惯组的减振器决定，一般为刚体运动带宽的10?20倍，为防止噪声的放大，应避免谐振峰的出现。根据该原则提出惯组的幅相频要求；
[0027]第七步、对于关键结构部分，需提高执行机构和敏感机构的结构刚度，一般结构刚 度要在单机带宽的5倍以上，同时减小传动机构的间隙等非线性环节的影响，以减少结构 部件对单机的幅相频损失。根据此原则可提出执行机构(如舵面、传动机构)和惯组安装支 架等的结构刚度和间隙要求，如刚度不小于50Hz，间隙引起的相位滞后不大于0.5°等；
[0028]第八步、对于外界干扰，应避免外界干扰的主频率与结构件的固有频率耦合，以防 止发生共振。根据该分配原则，对外界干扰的频率影响因素进行分析，采取主动措施改变干 扰主频，如一端封堵构成的空腔内在飞行过程中易形成气流振荡现象，对姿态稳定和结构 载荷产生不利影响，而气流振荡频率与空腔长度有关，故可提出缩小空腔长度的要求，提高 气流振荡频率，减轻或消除其对姿态稳定和结构载荷的不利影响。同时，提出相应的地面试 验需求，如针对气流振荡的激波隧洞试验；
[0029]第九步、综合上述分配原则，结合控制器网络设计情况，以姿态稳定为核心提出总 体方案优化方向，减少总体方案的迭代次数；根据对各类频率特性分配后的需求，进行各类 频率特性的地面试验测试，确保飞行器的姿态稳定。
【权利要求】
1.一种高超声速飞行器姿态稳定的频率管理方法，依次包括:第一步、采集飞行器模型的各类频率信息，包括:运动的频率特性、单机的频率特性、关 键结构部件的频率特性、以及外界干扰的频率特性；所述运动的频率特性包括刚体运动、弹性振动和晃动的频率特性；所述单机的频率特 性包括舵机、惯组的频率特性；所述关键结构部件的频率特性包括惯组安装支架、舵的传 动机构的频率特性；所述外界干扰的频率特性包括喷流、气流振荡、陀螺噪声、风的频率特 性；第二步、当刚体运动的通频带与一阶弹性振动频率相差在10倍以上，采用弹性幅值稳 定方法；否则采用相位稳定方法；第三步、在振型斜率为0的地方引入速率陀螺，以调和刚体运动和弹性振动稳定矛盾； 第四步、当晃动的零点频率大于极点频率时，通过加速度表反馈或者附加防晃板改善 晃动稳定性；第五步、对于舵机，其通频带为刚体运动通频带的5?10倍，保持低频相位不受损； 第六步、对于惯组，其通频带为刚体运动带宽的10?20倍，同时避免谐振峰的出现； 第七步、对于关键结构部分，保证执行机构和敏感机构的结构刚度在单机带宽的5倍 以上；同时减小传动机构的间隙等非线性环节的影响；第八步、对于外界干扰，避免外界干扰的主频率与结构件的固有频率耦合；第九步、根据对各类频率特性分配后的需求，进行各类频率特性的地面试验测试，确保 飞行器的姿态稳定。
【文档编号】B64F5/00GK103587718SQ201310551973
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】宋少倩, 陈新民, 孙超逸, 黄兴李 申请人:北京临近空间飞行器系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院