【技术实现步骤摘要】
一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统
[0001]本专利技术涉及一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，属于航空航天领域。
技术介绍
[0002]回收并重复使用火箭能够极大地降低火箭发射和探索太空的成本。自上世纪50年代以来，国内外航天人逐渐将火箭回收技术作为研究热点，探索了多种火箭回收方案。在美国SpaceX的猎鹰9成功地回收火箭的一级部段并重复使用后，着陆腿式垂直回收方案成为了多数航天机构的主要回收方式。然而，这种回收方式的成功需要火箭严格地以垂直姿态、零横向速度和零垂直速度到达着陆平台。为了达到这一要求，火箭的软硬件配套设施需要满足：火箭的发动机需要具有大幅推力调节和多次开关机的能力、导航制导系统具有高精准的软硬件支持和着陆支腿应具有大跨度支撑防倾倒能力和较强的缓冲能力。着陆状态的严格要求和软硬件高技术难度导致了猎鹰9一级回收失败90％以上发生在着陆段，也限制了我国关于着陆腿式垂直回收方案研究的开展，因此有必要自主创新地提出我国的火箭回收方案，推进可重复使用航天运载系统的发展。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是提供一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，该系统适用于在着陆阶段捕获和减速缓冲各类型可重复使用火箭，可保证非理想着陆状态火箭回收着陆过程的安全稳定；该系统将一根回收索编织成捕获框，并利用电机驱动捕获框主动地跟随并捕获着陆火箭，扩大了火箭着陆点偏差和着陆姿态角偏差范围，降低了对箭上导航制导控制系统的技术要求。捕获到的火箭可以具有一定的着陆残余能量，这部分着陆残余能量将被...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：包括：地面回收装置、跟随捕获控制系统、液压缓冲减速装置和火箭挂钩装置；地面回收装置用于捕获火箭，包括支架、导轨、滑块、滑轮和一根回收索组成；导轨位于支架上方，连接成用于回收索运动的区域；一根回收索编制成网状结构，用于火箭回收的区域位于所述结构中；所述结构通过滑块、滑轮实现在导轨上的移动；跟随捕获控制系统用于控制回收索的移动；液压缓冲减速装置固定在地面上并与回收索连接，用于对待回收火箭进行减速；火箭挂钩装置安装在待回收火箭外壳；所述液压缓冲减速装置包括：主液缸、柱塞、动滑轮组、导向滑轮、过载控制阀系统、储能器、冷气瓶和传递钢索；通过传递钢索绕过柱塞端部的动滑轮组和导向滑轮与支架上的滑块连接。主液缸内充满油液，一端与过载控制阀连接，另一端的开口由柱塞封闭，柱塞可沿着主液缸的轴向滑动。储能器中间由浮动活塞分成两个腔，一端与过载控制阀连接，腔内充满了油液；另一端与冷气瓶相连，腔内充满了高压空气。所述过载控制阀系统包括：重量选择器、凸轮、活塞、摇臂、节流阀和传动机构；重量选择器用于改变节流阀的初始开口，与摇臂连接；凸轮通过传动装置与柱塞相连，柱塞运动带动凸轮转动；凸轮压在摇臂上，带动活塞移动，改变节流阀开口面积，调节流经节流阀的油液流量，改变主液缸的压强，进而调节回收所索张力大小。针对不同的着陆火箭，改变凸轮的外形用于调整火箭的减速缓冲过程的运动学特性，凸轮的外形通过一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统的凸轮形状反问题设计方法来获得的。2.如权利要求1所述一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：所述液压缓冲减速装置包括：主液缸、柱塞、动滑轮组、导向滑轮、过载控制阀系统、储能器、冷气瓶和传递钢索；通过传递钢索绕过柱塞端部的动滑轮组和导向滑轮与支架上的滑块连接；主液缸内充满油液，一端与过载控制阀连接，另一端的开口由柱塞封闭，柱塞沿着主液缸的轴向滑动；储能器中间由浮动活塞分成两个腔，一端与过载控制阀连接，腔内充满了油液；另一端与冷气瓶相连，腔内充满了高压空气。3.如权利要求1所述一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：所述过载控制阀系统包括：重量选择器、凸轮、活塞、摇臂、节流阀和传动机构；重量选择器用于改变节流阀的初始开口，与摇臂连接；凸轮通过传动装置与柱塞相连，柱塞运动带动凸轮转动；凸轮压在摇臂上，带动活塞移动，改变节流阀开口面积，调节流经节流阀的油液流量，改变主液缸的压强，进而调节回收所索张力大小。凸轮的外形直接关系到火箭的减速缓冲过程的运动学特性，凸轮的外形通过一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统来获得的。4.如权利要求2所述一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：所述凸轮形状反问题设计方法通过下述三个步骤实现：步骤一：确定减速缓冲段的目标过载、速度和位移曲线；箭的缓冲过载分为三个阶段，在第一阶段火箭被捕获瞬间过载为零，经历t1时间后匀速增大至最大值第二阶段的过载保持恒定值经历的时间为t2；第三阶段过载从开始匀速减小，经过时间t3后减速为零，所述为最大的过载值，所述过载值向下为正，则
减速缓冲过程的目标过载曲线为对式(1)进行一次积分得到减速缓冲过程中火箭的速度为：其中为捕获时刻火箭的竖直方向速度，向下为正；对式(2)进一步积分得到减速缓冲过程中火箭位移z为：在火箭的理想过载的上升段和下降段所用的时间相等，即t1＝t3的情况下，火箭的最大过载、速度、距离有如下关系式：其中z
max
为火箭减速缓冲过程中的最大位移；在t＝t1+t2+t3时刻的火箭速度减速至零，则将关系式t1＝t3代入式(2)的第四个式子，得则前两个阶段的时间t1和t2满足如下关系式：在t＝t1+t2+t3时刻的减速缓冲距离不超过z
max
，即将t＝t1+t2+t3代入式(3)的第三个时间段的表达式应小于等于z
max
，并考虑t1＝t3，得到进一步，利用关系式式(5)消去式(7)中的t1，则得到t2的范围为当时，由式(5)和关系式t1＝t3得：减速缓冲段的目标过载、速度和位移曲线由式(1)
‑
式(3)确定，其中各阶段时间由式(8)和式(9)确定；
步骤二：建立回收索系统动力学方程，根据目标运动曲线求解目标液压力；为了建立回收索系统的动力学模型，忽略回收索和传递索的弹性变形，考虑火箭在回收区域中心被捕获，缓冲距离z与柱塞位移x
hy
之间的关系为其中w是常数，为回收区域边长的一半；对式(10)求导，得到柱塞的速度和加速度分别为对式(10)求导，得到柱塞的速度和加速度分别为则当火箭以式(1)
‑
式(3)的目标过载、速度和位移进行减速缓冲时，柱塞的位移、速度和加速度由式(10)
‑
式(12)确定；对于火箭，当在回收区域中心被捕获时，不考虑回收索与滑轮之间的摩擦，各段回收索张力相同，均为T，则回收索系统的动力学方程表示为其中z为火箭的缓冲位移，向下为正，m
r
为火箭的质量，且和g＝9.81m/s2；对于液压缓冲装置中的柱塞，若忽略连接回收索与传递索的滑轮组的质量，回收索与传递索的张力相等，均为T，则作用在柱塞的力大小为4T，柱塞的动力学方程为其中m
hy
为柱塞和带滑轮的十字头的总质量，为液压阻尼力，μ为油液的阻尼系数，A1为柱塞的横截面积，P1为主液缸压强；将式(13)和式(14)中的回收索和传递索张力消去，得系统的动力学方程为则为了使减速缓冲段实现目标火箭缓冲过载、速度和位移，液压缓冲装置需要提供的目标液压力为其中火箭和柱塞的质量为已知常量，火箭和柱塞的加速度由式(1)和式(12)决定；步骤三：根据目标液压力，设计凸轮目标形状；液压缓冲装置的柱塞受到的液压力表示为其中ΔP＝P1‑
P2为主液缸与储能器的压强差，P1为主液缸的压强，P2为储能器的压强；当主液缸的油液在柱塞推动下，从主液缸流入储能器的过程中，主液缸的油液压强与流过节流阀的油液流量有关，主液缸与储能器的压强差表示为
其中ρ
u
为油液密度，A为节流阀横截面积，当油液流经节流阀时，油液的流量系数c
d
随着节流阀小孔横截面积A的变化而发生改变，c
d
＝1.1A
0.1
；储能器的压强P2与空气压缩瓶中的气体压强P
f
相等，由于气体被压缩过程的时间较短，视为绝热过程，则其中P
f0
为空气压缩瓶的初始压强，V
f0
为空气压缩瓶的初始体积，λ1为压缩气体的绝热系数，A
f
为储能器活塞的有效面积，储能器活塞的位移u
f
等于主液缸活塞的位移x
hy
；将式(18)和式(19)代入式(17)，得到作用在柱塞上的液压力的具体表达式为其中针对某一确定的液压缓冲装置，且柱塞的位移和速度已知，式(20)中的第一项和第三项是确定的，即是确定的，另外液体密度和柱塞的横截面积为常量，而且柱塞的速度由火箭的理想运动特性决定，则柱塞的液压力主要通过节流阀的横截面积来控制，由式(20)和式(16) 确定满足设计要求的目标节流阀横截面积为在减速缓冲过程中，柱塞向主液缸内滑移，通过传动机构带动过载控制阀系统中的凸轮转动，凸轮推动活塞使节流阀的阀芯运动，调节节流阀的开口面积，从而控制油液流量、改变主液缸压强；节流阀小孔的截面积A与节流阀的阀芯位置y的关系为其中φ是顶角半角，d为主液缸和节流阀的连接处的阀口直径，简化参数分别为m
A
＝πdsinφ和n
A
＝sin2φ/(2d)；由上式(22)得知，节流阀的开口面积只与节流阀阀芯的位置y有关，根据式(21)目标节流阀开口面积A
tgt
得目标节流阀阀芯位置曲线为同时，为了简化分析，整合凸轮转角与摇臂长度，阀芯的位置y只受到凸轮转角控制y＝y0(1
‑
k1θ
‑
k2θ2‑
k3θ3‑
k4θ4)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
其中y0＝d/k
m
为阀芯的初始位置，k
m
为重量调节系数，改变阀芯初始开口用于对不同质量的火箭进行回收减速缓冲，k1，k2，k3和k4是凸轮曲面位形的函数系数；柱塞与节流阀凸轮通过传动装置连接，当柱塞的位移x
hy
与节流阀凸轮转角θ间的关系为θ＝x
hy
，将此关系式代入式(24)，并考虑式(23)阀芯的目标位置y
tgt
，目标凸轮曲面位形系数满足如下关系式采用最小二乘法确定凸轮曲面位形系数，令f＝1
‑
k
m
y
tgt
/d和x＝x
hy
，拟合的相对误差为其中n
k
为数据点数；将式(26)对k
j
(j＝1,2,3,4)求导，得整理为未知量k
j
(j＝1,2,3,4)的线性方程组为A
k
k＝F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)求解上式线性代数微分方程，求得凸轮的形状系数为其中为实现火箭在减速缓冲段按照目标的运动曲线运动，凸轮的目标形状由式(29)确定。5.如权利要求1所述一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：所述一根回收索编制成网状结构的方法为：一根回收索从一个支架上的滑轮开始，逆时针依次绕过相邻导轨上滑块的滑轮、相对导轨上滑块的滑轮和与之相邻的支架上的滑轮，按照此规律循环四次，直至绕到首个支架上的滑轮，一根回收索形成一个网状结构。6.如权利要求1所述一种基于凸轮外形设计的普适火箭回收索系统，其特征在于：所述滤波器通过下述方法得到：步骤一：建立火箭单刚体和回收索
‑
滑块刚柔耦合多体动力学代数微分方程组；利用消去法将代数微分方程组转换为微分方程组；采用向后差分法，确定系统的状态方程和观测方程；视觉测量装置测量火箭的顶端、末端和捕获框的位置信息时，受到测量噪声、环境噪声和索移动过程中不可避免的振动的影响；利用无迹卡尔曼滤波器设计状态观测器实时获取火箭和捕获框的准确信息，首先建立火箭系统和回收索
‑
滑块系统的多体动力学方程，然后
确定系统的状态方程和观测方程；建立火箭单刚体多体动力学方程；定义回收索系统坐标系的原点在回收平面的中心o，x轴和y轴在回收平面上，分别与相邻的两个导轨平行，z轴过原点o向上，三轴满足右手准则，令全局坐标系为回收索坐标系，火箭的局部坐标系原点在火箭的质心O，Z轴过原点沿着火箭的轴线方向指向上，X轴和Y轴互相垂直并与与火箭的轴线垂直，满足右手准则；火箭刚体质心的广义坐标为其中和分别表示刚体质心的位置向量和转动向量；其中为转角，n为转动方向的单位向量；火箭上任意一点p在全局坐标系下的位置向量为r
p
＝r
g
+A
g
s
P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)其中s
p
和r
p
分别为点p在全局坐标系下和局部坐标系下的位置向量；正交旋转矩阵分别为点p在全局坐标系下和局部坐标系下的位置向量；正交旋转矩阵为旋转向量的偏斜矩阵，I为3
×
3单位矩阵；点p在全局坐标系下的速度表示为其中为局部坐标系下的角速度向量，是矩阵的偏斜矩阵，并且局部角速度向量与广义角速度向量的传递矩阵为的传递矩阵为为s
p
的偏斜矩阵，为插值矩阵，为广义速度向量；利用式(31)计算刚体的动能，并利用第一类拉格朗日方程，建立火箭单刚体多体动力学方程为其中为广义加速度向量，M
g
为火箭质量矩阵，为附加惯性力，为广义外力，具体表示为上式中m和J为火箭刚体的质量和惯量矩阵；F
f
为火箭受到的外力；火箭多体动力学方程具有非线性，将系统的状态方程(32)改写为如下隐式形式其中F1为系统的隐式状态方程，为系统的广义加速度向量、广义速度向量和广义坐标向量，t为时间；火箭底端和顶端的测量方程为
其中s
t
＝[0 0 l
t
]
T
和s
b
＝[0 0 l
b
]
T
分别为火箭顶端和底端在火箭局部坐标系下的位置向量，l
t
和l
b
分别为火箭顶端和底端到质心的距离；h1为测量方程；针对回收索
‑
滑块系统，滑块采用刚体建模，并利用移动副约束滑块只能沿着光滑导轨运动；回收索采用ALE(Arbitrary Lagrange Euler)索单元进行建模；充分利用ALE索单元具有物质坐标与网格的独立性的特点：(1)将绳索绕过滑轮通过建立一个ALE索节点，将网格坐标约束在滑轮位置，将主动滑轮的卷入卷出绳索通过对ALE索节点的物质坐标约束进行建模；(2)为了观测捕获框的中心位置，在捕获框各边中心设置一个ALE节点，并利用事件驱动动态网格技术驱动所述各边ALE节点随着对应的滑块移动；(3)为了获取回收索的振动，对各段绳索布置均匀网格，并由物质坐标比例约束确保系统的保拓扑性；滑块的刚体动力学模型与火箭的刚体动力学模型形式一致，其动力学方程为其中M
s
为滑块的质量矩阵，为四个滑块的总广义加速度向量，为滑块的附加广义惯性力，为滑块的广义外力；滑块s1,s2,s3和s4只能沿着导轨滑动，需要增加滑块与导轨之间的移动副约束，不考虑导轨的变形，所述约束相当于滑块与地面之间的约束其中为滑块在全局坐标系下的位置，w为回收区域的边长的一半，为滑块的局部坐标系的x方向的单位向量，为滑块的局部坐标系的y方向的单位向量，x
o
,y
o
,z
o
为全局坐标系的单位方向向量；回收索采用ALE索单元建模，两节点ALE索单元的广义坐标为其中r
i
＝[x
i y
i z
i
]
T
为两个节点(i＝1,2)的位置向量，p
i
是两个节点(i＝1,2)的物质坐标；ALE索单元内任意一点的位置由单元两节点的线性插值得到r＝N
r
q
r
,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...
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