你知道嗎？運(yùn)載火箭升空時(shí)，也會(huì)遇到風(fēng)載荷的考驗(yàn)，火箭設(shè)計(jì)師除了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選擇、工藝改進(jìn)等被動(dòng)減載方式來減輕或分散載荷，還可以在飛行中依靠“神經(jīng)中樞”——箭上控制系統(tǒng)來動(dòng)態(tài)地調(diào)整火箭的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)更為高效和精確的主動(dòng)減載控制，使火箭與風(fēng)共舞，優(yōu)雅升空。

火箭與風(fēng)的較量，實(shí)際上是場(chǎng)力學(xué)大戰(zhàn)，許多力學(xué)要素在其中扮演著關(guān)鍵角色。

火箭飛行時(shí)，會(huì)遇上哪些風(fēng)

風(fēng)載荷，即空氣動(dòng)力載荷，由火箭與大氣相互作用而產(chǎn)生，包括升力、阻力、側(cè)向力、俯仰力矩、偏航力矩、滾動(dòng)力矩等。

火箭都怕哪些風(fēng)

風(fēng)載荷中的升力和側(cè)向力是垂直于火箭飛行方向的力。過大的升力和側(cè)向力及其產(chǎn)生的俯仰力矩、偏航力矩會(huì)使火箭抬頭或側(cè)身過猛，姿態(tài)失穩(wěn)，進(jìn)而干擾箭體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，使火箭偏離預(yù)定軌跡。在某些風(fēng)速和頻率的影響下，風(fēng)還可能引起箭體振動(dòng)或共振，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使箭體結(jié)構(gòu)受損、斷裂。

那么

箭上控制系統(tǒng)采取何種應(yīng)對(duì)措施來使火箭抵御強(qiáng)風(fēng)的侵?jǐn)_，確保火箭結(jié)構(gòu)的完整性和飛行任務(wù)的順利進(jìn)行呢？

兩種控制方式練就“組合拳”

助力火箭抵御“風(fēng)”

面對(duì)風(fēng)載荷帶來的挑戰(zhàn)，控制系統(tǒng)一般采用離線與在線控制相結(jié)合的方式，幫助運(yùn)載火箭“抗風(fēng)”。

第一招：離線地面風(fēng)修程序設(shè)計(jì)，提前“備課”

離線地面風(fēng)修程序設(shè)計(jì)一般是基于發(fā)射前測(cè)得的高概率平穩(wěn)風(fēng)數(shù)據(jù)，將其以插值程序角等形式裝載入飛行軟件中，火箭將依照事前預(yù)裝的軌道程序角飛行。這是一種前饋補(bǔ)償控制方式，通常留有一定設(shè)計(jì)余量，用于包絡(luò)預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)的不確定性。

第二招：在線主動(dòng)減載控制技術(shù)，實(shí)時(shí)“調(diào)整”

面對(duì)風(fēng)場(chǎng)梯度變化帶來的不確定切變風(fēng)以及隨機(jī)風(fēng)干擾，火箭設(shè)計(jì)師還設(shè)計(jì)了在線主動(dòng)減載控制技術(shù)，通過根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)得的火箭過載數(shù)據(jù)，及實(shí)時(shí)辨識(shí)出的火箭飛行時(shí)與氣流之間的角度開展自適應(yīng)姿態(tài)控制，讓火箭調(diào)整姿態(tài)，迎著風(fēng)飛，進(jìn)而減小作用在箭體上的氣動(dòng)載荷。

離線地面風(fēng)修程序設(shè)計(jì)與在線主動(dòng)減載技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，使運(yùn)載火箭能夠在風(fēng)的洗禮下穩(wěn)健前行，順利完成將“乘客”送入太空的使命。例如，具有大長(zhǎng)細(xì)比特性的長(zhǎng)征七號(hào)系列、長(zhǎng)征八號(hào)系列火箭均采用了相似的減載技術(shù)，可有效提高火箭對(duì)于海南多變風(fēng)場(chǎng)的環(huán)境適應(yīng)性和可承擔(dān)任務(wù)的靈活性。

“風(fēng)力雖狂，人力可制。”在航天事業(yè)不斷發(fā)展的道路上，中國(guó)航天人正是憑著這份信念，不斷攀登一座又一座科技高峰，擘畫更多的宏偉藍(lán)圖。

來源/中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

編輯/楊斯爽

審核/穆檀、宿愿

監(jiān)制/姜軍

9月24日 19-21時(shí)

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