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簡析冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用論文
隨著人類對太空的不斷探索，人們逐步研發(fā)出各類飛行器送入太空，幫助人們探索未知世界，其中運(yùn)載火箭一直是必不可少的運(yùn)輸工具。運(yùn)載火箭由多個子系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)分工協(xié)作完成各類衛(wèi)星等航天器的運(yùn)輸工作，但近來年由于運(yùn)載火箭系統(tǒng)故障，或者導(dǎo)致航天工程失敗的案例屢屢發(fā)生，因此對運(yùn)載火箭系統(tǒng)可靠性的提升勢在必行，而冗余設(shè)計技術(shù)自提出以來就被廣泛應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)的研制過程中，本文旨在結(jié)果實際案例綜述目前冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用，為相關(guān)科研院所提供參考。
1冗余技術(shù)
冗余技術(shù)是提高各類控制系統(tǒng)可靠性的一種手段。冗余是防止整個系統(tǒng)失敗的最可靠的方法，系統(tǒng)失敗指的是系統(tǒng)不能實現(xiàn)目標(biāo)，也就是說，不能傳遞信息、維持結(jié)構(gòu)負(fù)載或者繼續(xù)運(yùn)行，一般情況下，整個系統(tǒng)的失敗是可以通過冗余設(shè)計技術(shù)避免的，冗余設(shè)計技術(shù)可以分為多樣化冗余、同質(zhì)冗余、活動冗余和被動冗余四種冗余技術(shù)，冗余結(jié)構(gòu)和判別準(zhǔn)則是冗余技術(shù)最主要的研究內(nèi)容。
2冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用
目前，冗余設(shè)計技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭系統(tǒng)中，本文選取其在制導(dǎo)分系統(tǒng)和姿態(tài)控制分系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2.1冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭制導(dǎo)分系統(tǒng)中的應(yīng)用
2.1.1冗余結(jié)構(gòu)
目前應(yīng)用在火箭制導(dǎo)分系統(tǒng)中比較典型的冗余結(jié)構(gòu)是三重復(fù)冗余結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需要三冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用文/徐晨岳瑋運(yùn)載火箭系統(tǒng)的可靠性是航空航天工程中至關(guān)重要的問題，而冗余設(shè)計技術(shù)是保證運(yùn)載火箭系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文旨在結(jié)果實際案例綜述目前冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用，為相關(guān)科研院所提供參考。摘要套慣性測量裝置，從中分別得到兩組信號：視加速度信號：WX,WY,WZ和姿態(tài)角信號：△φφγ，這18路信號都通過特定的路徑傳送給箭載計算機(jī)，然后由相應(yīng)的軟件進(jìn)行故障判別，因此三重復(fù)冗余結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計硬件電路。
2.1.2判別準(zhǔn)則
三重復(fù)冗余結(jié)構(gòu)的判別準(zhǔn)則是少數(shù)服從多數(shù)，也即2:1或者3:0式的判別準(zhǔn)則。根據(jù)前文所述，需要進(jìn)行判別的有視加速度信號：WX,WY,WZ和姿態(tài)角信號：△φφγ。根據(jù)少數(shù)服從多數(shù)原則，對上述兩組信號分別進(jìn)行比較，如果三套慣性測量裝置的信號相等時，則判定為無故障，當(dāng)有一個與另兩個不相等時，則認(rèn)為其中不一致信號為故障信號，當(dāng)某個測量裝置的6路信號中存在故障信號時，則認(rèn)為該套測量裝置已經(jīng)出現(xiàn)故障，將會被隔離。在工程實踐中，不可能存在兩個完全相等的信號，因此需要設(shè)計判別式，其中視加速度判別式如式(1)、(2)、(3)所示。
|Wj1-Wj2|≤εWj(1)
|Wj2-Wj3|≤εWj(2)
|Wj3-Wj1|≤εWj(3)
其中，j=x,y,z。
姿態(tài)角判別式如式(4)、(5)、(6)所示。
|θk1-θk2|≤εθk(4)
|θk2-θk3|≤εθk(5)
|θk3-θk1|≤εθk(6)
其中，k=△φφγ。
根據(jù)前文所述，對三套慣性測量裝置編號為1,2，3，當(dāng)式(1)、(2)、(3)或者式(4)、(5)、(6)中任意一式成立，另兩式不成立時，則成立的公式所對應(yīng)的慣性測量裝置被認(rèn)為是故障件。
2.2冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭姿態(tài)控制分系統(tǒng)中的應(yīng)用
冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭姿態(tài)控制分系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是指應(yīng)用在角運(yùn)動參數(shù)測量裝置的冗余技術(shù)，也包括冗余結(jié)構(gòu)和判別準(zhǔn)則兩方面，且在判別準(zhǔn)則方面，有多種判別準(zhǔn)則，在此僅介紹常用的判別準(zhǔn)則。
2.2.1冗余結(jié)構(gòu)
角運(yùn)動參數(shù)測量裝置是運(yùn)載火箭系統(tǒng)中重要的裝置，與前文所述的制導(dǎo)分系統(tǒng)使用的是用同一套裝置，因此冗余結(jié)構(gòu)大同小異;但需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)角運(yùn)動參數(shù)測量裝置結(jié)合慣性穩(wěn)定平臺時，慣性穩(wěn)定平臺姿態(tài)角信號將會被輸出，因此此時需要一個接口電路，將該信號傳輸給箭載計算機(jī)。
2.2.2判別準(zhǔn)則
在角運(yùn)動參數(shù)測量裝置的冗余結(jié)構(gòu)中，根據(jù)不同情況，常有多種判別準(zhǔn)則，其中最常用的是表決式準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則需要三個傳感器，分別輸出其采集到的相應(yīng)的信號，并傳輸給箭載計算機(jī)，再由計算機(jī)上相應(yīng)的軟件按2:1表決方式進(jìn)行判別，或者按照其他表決方式進(jìn)行處理。
2.3冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中的應(yīng)用實例
2.3.1天宮”運(yùn)載火箭
我們自主研發(fā)的“天宮”號運(yùn)載火箭就是一個冗余設(shè)計技術(shù)在運(yùn)載火箭上應(yīng)用的典型案例，研發(fā)人員在“天宮”運(yùn)載火箭的一些關(guān)鍵子系統(tǒng)上安裝幾個計算機(jī)系統(tǒng)，這些計算機(jī)系統(tǒng)都是備份系統(tǒng)，當(dāng)“天宮”運(yùn)載火箭在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時，這些計算機(jī)系統(tǒng)就會被啟用，從而解決系統(tǒng)故障，提高“天宮”運(yùn)載火箭的安全性和可靠性。
2.3.2“長征”系列火箭
“長征”系列運(yùn)載火箭是中國自主知識產(chǎn)權(quán)的系列運(yùn)載火箭，在“長征”系列火箭的研制過程中，研發(fā)人員均采用了冗余設(shè)計技術(shù)。除此之外，運(yùn)載火箭的其他組成部分也進(jìn)行了以提高安全性和可靠性為原則的改進(jìn)。
3結(jié)論
隨著科技的進(jìn)步，將會有其他各類新興技術(shù)被應(yīng)用于運(yùn)載火箭系統(tǒng)的研制過程中，冗余技術(shù)作為一種在運(yùn)載火箭系統(tǒng)中必可不缺的傳統(tǒng)技術(shù)，將會被不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，推動世界航空航天事業(yè)的發(fā)展。
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