姚 旺,趙曉寧,周?chē)?guó)峰,孫 崢,雷 豹
(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院, 北京 100076)
大氣層內(nèi)飛行器一般具有多個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的氣動(dòng)控制面,根據(jù)氣動(dòng)布局的不同可以是舵面或翼面,用于提供氣動(dòng)控制力及控制力矩。根據(jù)工作時(shí)序的設(shè)計(jì),飛行器飛行過(guò)程中的某些時(shí)段內(nèi),這些氣動(dòng)控制面需要保持固定轉(zhuǎn)角,其余時(shí)段則需要進(jìn)行轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)控制。因此,在舵面或翼面保持固定轉(zhuǎn)角的飛行時(shí)段,需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)控制面的鎖定,并根據(jù)需要在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行解鎖,隨后即可對(duì)舵面或翼面轉(zhuǎn)角實(shí)施控制[1-3]??煽康逆i定與解鎖技術(shù)是保證飛行控制品質(zhì)的前提,尤其是隨著變形飛行器等新概念飛行控制技術(shù)的發(fā)展,使得飛行器舵面或翼面的鎖定與解鎖技術(shù)在飛控系統(tǒng)中更為關(guān)鍵[4-7],很有必要對(duì)其相關(guān)的工作機(jī)制開(kāi)展理論和試驗(yàn)研究。
當(dāng)前,飛行器舵面或翼面的鎖定主要采用舵面或翼面鎖定和伺服機(jī)構(gòu)鎖定2種方式。舵面或翼面鎖定一般采用機(jī)械式的拔銷(xiāo)器鎖定方案,在鎖定時(shí)利用拔銷(xiāo)器的鎖銷(xiāo)約束舵面或翼面,在解鎖時(shí)解除銷(xiāo)軸對(duì)舵面或翼面的約束,即可使得舵面或翼面自由擺動(dòng);伺服機(jī)構(gòu)鎖定方式通過(guò)在伺服系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)電機(jī)鎖,通過(guò)電控手段鎖定伺服作動(dòng)器內(nèi)部的電機(jī),使得電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舵面或翼面的鎖定。以上2種鎖定方式均可以實(shí)現(xiàn)飛行器舵面或翼面的可靠鎖定,相比之下伺服機(jī)構(gòu)鎖定方式需要在伺服系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)電機(jī)鎖,一方面會(huì)增大伺服系統(tǒng)體積,不利于在空間約束強(qiáng)的小型飛行器中使用;另一方面,其鎖定的可靠性低于機(jī)械式的拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸鎖定方案,易出現(xiàn)不可靠鎖定的問(wèn)題[8-12]。因此,本文主要研究機(jī)械式拔銷(xiāo)器鎖定方案。
傳統(tǒng)的機(jī)械式拔銷(xiāo)器解鎖方法為保證可靠性,通常一路舵面或翼面需要兩路時(shí)序資源,且拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸縮回的過(guò)程中易出現(xiàn)與舵面或翼面卡滯的問(wèn)題,同時(shí)在判斷解鎖狀態(tài)時(shí)一般需要增加額外的硬件資源(例如行程開(kāi)關(guān)等)。針對(duì)以上問(wèn)題,本文從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作:① 提出了一種基于關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的氣動(dòng)控制面鎖定狀態(tài)查詢(xún)方法,用于實(shí)現(xiàn)鎖定狀態(tài)的可靠查詢(xún)與獲?。虎?設(shè)計(jì)了一種拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路綜合冗余設(shè)計(jì)方案,利用少量的驅(qū)動(dòng)資源實(shí)現(xiàn)飛行器多路舵面或翼面的可靠解鎖;③ 通過(guò)設(shè)計(jì)銷(xiāo)器解鎖時(shí)刻與舵面或翼面受控時(shí)刻的精確配合時(shí)序,有效防止解鎖過(guò)程中出現(xiàn)銷(xiāo)軸卡滯;④ 提出了一種簡(jiǎn)易的解鎖狀態(tài)判定方法,不依托額外的硬件資源實(shí)現(xiàn)了飛行器舵面或翼面解鎖狀態(tài)的可靠判定。最后,通過(guò)地面原理性試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性。
基于機(jī)械式拔銷(xiāo)器的飛行器舵面或翼面鎖定原理如圖1所示。在鎖定狀態(tài),通過(guò)將拔銷(xiāo)器的銷(xiāo)軸插入至舵面或翼面的銷(xiāo)孔中,利用銷(xiāo)軸實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面或翼面的約束;解鎖時(shí),為拔銷(xiāo)器設(shè)計(jì)電氣驅(qū)動(dòng)信號(hào),拔銷(xiāo)器中的換能元將電能轉(zhuǎn)化為熱能,引燃始發(fā)裝藥,經(jīng)過(guò)輸出裝藥能量放大,最終產(chǎn)生高溫高壓氣體進(jìn)入拔銷(xiāo)器的容腔內(nèi),推動(dòng)銷(xiāo)軸剪斷止動(dòng)銷(xiāo)的限制,克服加載在銷(xiāo)軸上的載荷,使銷(xiāo)軸回縮。銷(xiāo)軸在回縮規(guī)定距離后,由止退結(jié)構(gòu)鎖定,實(shí)現(xiàn)解除鎖定過(guò)程不可逆。拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸縮回后,舵面或翼面的約束解除,可以受控進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1 舵面或翼面鎖定原理示意圖Fig.1 Principle of rudder or wing locking
為防止飛行器鎖定的舵面或翼面意外解鎖帶來(lái)危害,在飛行器發(fā)射前或舵面或翼面解鎖前,一般需要監(jiān)測(cè)舵面或翼面的鎖定狀態(tài)。實(shí)時(shí)查詢(xún)舵面或翼面鎖定狀態(tài)將帶來(lái)極大的系統(tǒng)資源消耗,同時(shí)可能帶來(lái)誤判舵面或翼面解鎖的風(fēng)險(xiǎn)。為此,本文設(shè)計(jì)了一種舵面或翼面鎖定狀態(tài)的查詢(xún)方法,其查詢(xún)流程如圖2所示。在飛行器飛行程序中選取多個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn),在這些時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行鎖定狀態(tài)查詢(xún)。關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的選取需要結(jié)合飛行器舵面和翼面解鎖前的飛行程序,至少應(yīng)包含上電自檢時(shí)刻和解鎖前時(shí)刻,以確保飛行器上電時(shí)刻和解鎖前時(shí)刻舵面和翼面處于鎖定狀態(tài),其余關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)可根據(jù)具體飛行程序選取,一般結(jié)合飛行器其余動(dòng)作一并開(kāi)展(例如初始對(duì)準(zhǔn)等),時(shí)間間隔不宜過(guò)于密集,避免增加額外的誤判風(fēng)險(xiǎn)。
圖2 舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢(xún)流程示意圖Fig.2 Inquiry process of rudder or wing locking status
在特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢(xún)時(shí),一般基于當(dāng)前舵面或翼面的擺角進(jìn)行判定。由于舵面或翼面下緣開(kāi)孔與拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸之間存在間隙,因此鎖定狀態(tài)的舵面或翼面仍會(huì)存在小角度的擺角。假設(shè)舵面或翼面在鎖定狀態(tài)的極限擺角為θ,考慮到舵面或翼面轉(zhuǎn)角位置的采樣誤差,判斷舵面或翼面鎖定的判據(jù)需要設(shè)計(jì)為θ+Δθ(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Δθ一般取值在0.5°~2°之間)。
綜上所述,在飛行器上電時(shí)刻、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、舵面或翼面解鎖前等時(shí)刻,可以連續(xù)多次獲取舵面或翼面當(dāng)前的擺角,若全部舵面或翼面的當(dāng)前擺角θ0均未超過(guò)θ+Δθ,則判定舵面或翼面處于可靠鎖定狀態(tài);若某次θ0超過(guò)θ+Δθ,則判定為舵面或翼面未正常鎖定,轉(zhuǎn)為執(zhí)行相應(yīng)的安全性設(shè)計(jì)措施。
為保證飛行器舵面或翼面的可靠解鎖,拔銷(xiāo)器需要設(shè)計(jì)為雙路冗余電流驅(qū)動(dòng)控制,只需任意一路驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路有效,拔銷(xiāo)器的銷(xiāo)軸即可實(shí)現(xiàn)可靠縮回與鎖定。在飛行器實(shí)際應(yīng)用中,存在多路舵面或翼面同時(shí)鎖定與解鎖的情況,若為每路舵面或翼面解鎖均設(shè)計(jì)兩路冗余的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,將消耗極多的系統(tǒng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)資源,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的負(fù)擔(dān),因此本文設(shè)計(jì)了一種綜合冗余的設(shè)計(jì)方法。
假定在某特定的應(yīng)用場(chǎng)景下,需要同時(shí)解鎖四路舵面或翼面,一種綜合線(xiàn)路冗余設(shè)計(jì)方法的基本原理見(jiàn)圖3。采用“一驅(qū)四”的驅(qū)動(dòng)方式,驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路1同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路拔銷(xiāo)器的火工品1,驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路2同時(shí)驅(qū)動(dòng)四路拔銷(xiāo)器的火工品2,每只拔銷(xiāo)器中任一路火工品可靠起爆即可實(shí)現(xiàn)拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸的縮回,因此實(shí)現(xiàn)了在僅使用兩路驅(qū)動(dòng)時(shí)序的情況下,對(duì)四只舵面或翼面的可靠解鎖控制。
圖3 多路舵面或翼面解鎖綜合冗余驅(qū)動(dòng)方法的基本原理框圖Fig.3 Integrated redundant driving method for unlocking multi-channel rudder or wing
為了匹配拔銷(xiāo)器火工品起爆所需要的驅(qū)動(dòng)電流,需要在每條驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路上設(shè)計(jì)合適的限流電阻,限流電阻阻值的選取方法為:假定拔銷(xiāo)器內(nèi)部單路火工品阻值為R1,使單路火工品可靠起爆的驅(qū)動(dòng)電流為I1,驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的供電電壓為U1,則限流電阻R限的計(jì)算方法為:
R限=4×U1/I1-R1/4
(1)
解鎖時(shí)序是飛行器動(dòng)舵面或翼面解鎖設(shè)計(jì)的核心程序,若解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)不合理,極易出現(xiàn)解鎖過(guò)程中拔銷(xiāo)器與舵面或翼面邊緣卡滯等現(xiàn)象,可能導(dǎo)致拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸不能可靠縮回,影響舵面或翼面正常解鎖。舵面或翼面解鎖時(shí)序包含3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),分別為驅(qū)動(dòng)舵面或翼面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力電池激活、發(fā)出拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序、舵面或翼面受控回零,具體說(shuō)明如下:
1) 舵面或翼面解鎖前,由于不對(duì)舵面或翼面進(jìn)行控制,因此為舵面或翼面運(yùn)動(dòng)提供能源的動(dòng)力電池處于未激活狀態(tài);舵面或翼面解鎖后,飛行器需要進(jìn)行舵面或翼面的閉環(huán)控制,解鎖后動(dòng)力電池必須激活,并持續(xù)輸出動(dòng)力供電;
2) 拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序輸出用于驅(qū)動(dòng)拔銷(xiāo)器內(nèi)部的火工品可靠起爆,驅(qū)動(dòng)時(shí)序持續(xù)時(shí)間需要大于火工品可靠發(fā)火時(shí)間,并留有一定余量;
3) 舵面或翼面受控回零指的是在拔銷(xiāo)器的銷(xiāo)軸可靠縮回后,舵面或翼面在控制指令的驅(qū)動(dòng)下保持在電氣零位。
一種典型的舵面或翼面解鎖控制時(shí)序見(jiàn)圖4,舵面或翼面解鎖時(shí)序以發(fā)出動(dòng)力電池激活時(shí)序時(shí)刻作為T(mén)0,動(dòng)力電池激活時(shí)序持續(xù)0.2 s,之后開(kāi)始判斷電池建壓結(jié)果(連續(xù)多次采集動(dòng)力電池電壓,滿(mǎn)足動(dòng)力電池建壓正常判據(jù)即認(rèn)為電池建壓正常),在2 s內(nèi)判定電池建壓正常后,發(fā)出拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序,持續(xù)0.1 s,大約3 ms后拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸可靠縮回并鎖定,從發(fā)出拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序開(kāi)始0.02 s后,舵面或翼面伺服驅(qū)動(dòng)器中的功率模塊上電,此時(shí)舵面或翼面受控回零,0.08 s后,舵面或翼面按控制指令開(kāi)始閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。
圖4 舵面或翼面解鎖時(shí)序示意圖Fig.4 Unlocking sequence of rudder or wing
舵面或翼面解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)的核心思想是“先解鎖,后回零”,按照該時(shí)序設(shè)計(jì),拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸在縮回過(guò)程中僅需要克服舵面或翼面與拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸的接觸摩擦力,不會(huì)受到舵面或翼面伺服額外的控制力作用;若采用“先回零,后解鎖”的方式,由于伺服回零存在精度偏差,可能出現(xiàn)伺服回零時(shí)與拔銷(xiāo)器銷(xiāo)軸卡滯現(xiàn)象,導(dǎo)致伺服電機(jī)堵轉(zhuǎn),影響后續(xù)的拔銷(xiāo)器可靠縮回。
飛行器對(duì)于舵面或翼面解鎖狀態(tài)的判定至關(guān)重要,往往作為是否正常執(zhí)行后續(xù)飛行程序的前提。舵面或翼面解鎖狀態(tài)可以通過(guò)采集每路拔銷(xiāo)器的工作狀態(tài)獲取,但是該種方式需要拔銷(xiāo)器內(nèi)部設(shè)計(jì)額外的狀態(tài)反饋線(xiàn)路,一方面增加了拔銷(xiāo)器的設(shè)計(jì)難度,同時(shí)該方式僅表征拔銷(xiāo)器的工作狀態(tài),未反映舵面或翼面最終是否可靠解鎖的狀態(tài)。基于此,提出了一種簡(jiǎn)易的小幅度擺動(dòng)舵面或翼面,閉環(huán)比對(duì)舵面或翼面控制指令及角度反饋的方法,判定舵面或翼面是否正常解鎖,具體流程如下:
1) 向每路舵面或翼面發(fā)送運(yùn)動(dòng)至α的指令;
2) 連續(xù)采集舵面或翼面實(shí)際角度反饋,若連續(xù)多個(gè)反饋周期判定舵機(jī)處于α±Δα,則判定舵面或翼面運(yùn)動(dòng)到位,否則判定解鎖失敗;
3) 向每路舵面或翼面發(fā)送歸零指令,若連續(xù)多個(gè)反饋周期判定舵機(jī)處于0±Δα,則判定舵面或翼面解鎖成功,可以執(zhí)行后續(xù)飛行程序,否則判定解鎖失敗,轉(zhuǎn)為既定的安全性設(shè)計(jì)措施。
在設(shè)計(jì)舵面或翼面擺動(dòng)角度α?xí)r需要考慮舵面或翼面動(dòng)作產(chǎn)生的控制力矩在飛行器的承受范圍內(nèi),一般不超過(guò)2°;Δα的選取需要考慮舵面和翼面的控制精度,一般不超過(guò)0.5°。
對(duì)于一種需要同時(shí)解鎖四路舵面或翼面的典型應(yīng)用場(chǎng)景,按照?qǐng)D2中舵面或翼面解鎖時(shí)序開(kāi)展地面原理性驗(yàn)證試驗(yàn)。
利用28 V供電信號(hào)驅(qū)動(dòng)拔銷(xiāo)器,限流電阻按照式(1)經(jīng)計(jì)算為2.4 Ω,拔銷(xiāo)器內(nèi)部火工品實(shí)測(cè)電阻、計(jì)算發(fā)火電流如表1所示,其中計(jì)算得到的拔銷(xiāo)器中每路火工品橋絲電阻的計(jì)算電流均在有效發(fā)火電流范圍內(nèi),實(shí)際驅(qū)動(dòng)持續(xù)時(shí)間為100 ms,監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5所示,驅(qū)動(dòng)完成后檢查4只拔銷(xiāo)器,銷(xiāo)軸全部可靠縮回。
表1 拔銷(xiāo)器火工品實(shí)測(cè)值與計(jì)算電流范圍
圖5 拔銷(xiāo)器解鎖時(shí)序監(jiān)測(cè)結(jié)果界面Fig.5 Unlocking sequence monitoring of pin puller
動(dòng)力電池激活與拔銷(xiāo)器解鎖時(shí)序發(fā)出監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖6所示,可以看出發(fā)出動(dòng)力電池激活時(shí)序后約0.8 s,動(dòng)力電池建壓正常,之后正常發(fā)出了拔銷(xiāo)器解鎖時(shí)序。
圖6 動(dòng)力電池激活與拔銷(xiāo)器解鎖時(shí)序監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.6 Timing monitoring of power battery activation and pin puller unlocking
拔銷(xiāo)器正常解鎖后,控制舵面或翼面進(jìn)行小角度擺動(dòng),進(jìn)而判斷舵面或翼面是否正常解鎖,舵面或翼面實(shí)際監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖7(僅展示1號(hào)舵),由圖7可知四路舵面或翼面均正常受控?cái)[動(dòng)至2°,然后快速回零,由此判定四路舵面或翼面均正常解鎖,系統(tǒng)正常執(zhí)行試驗(yàn)程序,表明文中的解鎖控制方法正確。
圖7 舵面1解鎖后擺動(dòng)曲線(xiàn)Fig.7 Swing of rudder 1 after unlocking
本文首先討論了一種基于拔銷(xiāo)器實(shí)現(xiàn)飛行器舵面或翼面鎖定的應(yīng)用場(chǎng)景,基于此提出了一種可控舵面或翼面解鎖控制方法,包含基于關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的舵面或翼面鎖定狀態(tài)查詢(xún)、綜合冗余拔銷(xiāo)器驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路設(shè)計(jì)、可靠舵面或翼面解鎖時(shí)序設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)易舵面或翼面解鎖狀態(tài)判定方法,通過(guò)開(kāi)展四路舵面或翼面解鎖的地面原理性試驗(yàn),證明了設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性。本文提出的舵面或翼面解鎖控制方法具有一定的通用性,可以用于指導(dǎo)開(kāi)展飛行器可控舵面或翼面、折疊舵面或翼面鎖定與解鎖方案設(shè)計(jì)。