Análisis de Reconstrucción de Actitud Autónoma para Sistema de Propulsión con Fallo Típico de Caída de Empuje
Autores: Yang, Shuming; Xie, Changlin; Cheng, Yuqiang; Song, Dianyi; Cui, Mengyu
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Análisis de Reconstrucción de Actitud Autónoma para Sistema de Propulsión con Fallo Típico de Caída de Empuje
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Sistema de propulsión
Modos de falla
Fallo de caída de empuje
Reconstrucción de actitud
Simulaciones numéricas
Reconfiguración de control
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 30
Citaciones: Sin citaciones
El sistema de propulsión es uno de los subsistemas importantes y vulnerables en un vehículo de lanzamiento de cohetes adicionales. Entre los diferentes modos de falla, la falla de caída de empuje es la más común y remediable. Degrada directamente la capacidad de seguimiento de actitud del vehículo. Con este fin, este documento se centra en el diseño y la aplicación de problemas de reconstrucción de actitud con una falla de pérdida de empuje durante la fase de vuelo ascendente. Primero, analizamos los modos de falla especiales y sus impactos en el sistema de propulsión a través de un Análisis de Modos de Falla y Efectos (FMEA). Luego, se formulan modelos dinámicos y cinemáticos de seis grados de libertad, que se integran posteriormente en el entorno de Matlab/Simulink. La validación de los modelos anteriores se realiza a través de simulaciones numéricas con diferentes severidades de falla. Los resultados de la simulación muestran que la máxima desviación de actitud es de aproximadamente 0.67 grados en el canal del ángulo de cabeceo en condiciones normales, y la desviación del ángulo de actitud de vuelo es directamente proporcional al porcentaje de pérdida de empuje cuando ocurre la falla de caída de empuje. Basado en los modelos validados, se analiza una reconfiguración práctica ideal mediante el ajuste de la matriz de asignación de control. Luego, se propone un mecanismo de redistribución automática basado en el principio de equivalencia de momentos antes y después de la caída de empuje para realizar una asignación proporcional del comando de control virtual entre los actuadores. La efectividad del método de reconstrucción de actitud diseñado se demuestra a través de simulaciones numéricas y análisis comparativos bajo varios escenarios de falla. Los resultados muestran que la actitud del cohete puede ajustarse rápidamente al ángulo programado predeterminado en aproximadamente 2.5 s después de la falla de apagado de un solo motor, y la velocidad de vuelo y la altitud también pueden alcanzar el valor requerido con otros 17 s de operación del motor. Por lo tanto, la estrategia de reconfiguración de control diseñada puede abordar la falla de pérdida de empuje con alta practicidad y puede aplicarse a sistemas FTC en tiempo real. Por último, pero no menos importante, se presentan conclusiones y perspectivas para inspirar a los investigadores a explorar más en este campo.
Descripción
El sistema de propulsión es uno de los subsistemas importantes y vulnerables en un vehículo de lanzamiento de cohetes adicionales. Entre los diferentes modos de falla, la falla de caída de empuje es la más común y remediable. Degrada directamente la capacidad de seguimiento de actitud del vehículo. Con este fin, este documento se centra en el diseño y la aplicación de problemas de reconstrucción de actitud con una falla de pérdida de empuje durante la fase de vuelo ascendente. Primero, analizamos los modos de falla especiales y sus impactos en el sistema de propulsión a través de un Análisis de Modos de Falla y Efectos (FMEA). Luego, se formulan modelos dinámicos y cinemáticos de seis grados de libertad, que se integran posteriormente en el entorno de Matlab/Simulink. La validación de los modelos anteriores se realiza a través de simulaciones numéricas con diferentes severidades de falla. Los resultados de la simulación muestran que la máxima desviación de actitud es de aproximadamente 0.67 grados en el canal del ángulo de cabeceo en condiciones normales, y la desviación del ángulo de actitud de vuelo es directamente proporcional al porcentaje de pérdida de empuje cuando ocurre la falla de caída de empuje. Basado en los modelos validados, se analiza una reconfiguración práctica ideal mediante el ajuste de la matriz de asignación de control. Luego, se propone un mecanismo de redistribución automática basado en el principio de equivalencia de momentos antes y después de la caída de empuje para realizar una asignación proporcional del comando de control virtual entre los actuadores. La efectividad del método de reconstrucción de actitud diseñado se demuestra a través de simulaciones numéricas y análisis comparativos bajo varios escenarios de falla. Los resultados muestran que la actitud del cohete puede ajustarse rápidamente al ángulo programado predeterminado en aproximadamente 2.5 s después de la falla de apagado de un solo motor, y la velocidad de vuelo y la altitud también pueden alcanzar el valor requerido con otros 17 s de operación del motor. Por lo tanto, la estrategia de reconfiguración de control diseñada puede abordar la falla de pérdida de empuje con alta practicidad y puede aplicarse a sistemas FTC en tiempo real. Por último, pero no menos importante, se presentan conclusiones y perspectivas para inspirar a los investigadores a explorar más en este campo.