專利名稱：高質(zhì)量流動調(diào)節(jié)比的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器沖量管理方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高質(zhì)量流動調(diào)節(jié)比(turn-down radio)的固體推進(jìn)劑(propellant)氣體發(fā)生器沖量(impulse)管理方案。更具體地講，本發(fā)明涉及一種尤其適用于動能命中殺傷武器和其它類型的導(dǎo)彈的固體轉(zhuǎn)向(divert)和姿態(tài)(attitude)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)(DACS)是操縱動能命中殺傷武器所必需的。動能殺傷飛行器(kv)或?qū)椨糜诖輾?dǎo)彈或其它諸如人造衛(wèi)星之類的空中或太空中的目標(biāo)。由于較大的靈活性(flexibility)意味著更有能力的飛行器，因此沖量靈活性(能量管理)是這些系統(tǒng)的一個關(guān)鍵的性能參數(shù)。由于液體推進(jìn)系統(tǒng)通過開關(guān)操作來進(jìn)行固有的沖量管理，即，只有在需要時才使用推進(jìn)劑，因而它們目前提供最大的靈活性。然而，液體系統(tǒng)的氣流(current)產(chǎn)生是有毒的，從而對安全和環(huán)境造成威脅。象液體系統(tǒng)之類的混合推進(jìn)系統(tǒng)在能量管理方面是較靈活的，并且可被制造成無毒的，從而提高了安全，然而卻大大減少了密度沖量(density-impulse)。另一方面，固體推進(jìn)系統(tǒng)具有最高的密度沖量，并且可被制造成可滿足所有的安全和不敏感的軍需品的需求，但沒有所需的能量管理的靈活性。
已嘗試了多種方法來向固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)提供提高的能量管理能力，諸如來自可獨(dú)立點(diǎn)火的藥柱的脈動式操作，用多個點(diǎn)火器進(jìn)行dP/dT熄滅和再點(diǎn)火，以及通過成比例地、或者通過脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)進(jìn)行輸出面積調(diào)節(jié)來進(jìn)行壓力控制。這些方法在操作中均受到限制(例如，有限的沖量靈活性和較低的調(diào)節(jié)比)，并具有其它不想要的屬性(例如，增加了構(gòu)件、復(fù)雜性、成本和重量)。
本發(fā)明的管理方案和系統(tǒng)克服了這些缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種可實現(xiàn)超過30∶1的調(diào)節(jié)比的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有優(yōu)于自點(diǎn)火系統(tǒng)的推力響應(yīng)(推力的變化速率)的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)。
上述目的由本發(fā)明的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)包括具有固體推進(jìn)劑藥柱(grain)的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器，該固體推進(jìn)劑藥柱具有用于在飛行的不同階段中產(chǎn)生不同推力級的輪廓；用于調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器的有效輸出面積的控制閥裝置；以及用于計算推進(jìn)劑的燃燒速率、且用于控制控制閥裝置的操作、以便在飛行器的慣性飛行階段中改變正由固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器所產(chǎn)生的壓力的控制器。在本發(fā)明的一較佳實施例中，固體推進(jìn)劑發(fā)生器的藥柱輪廓沿著薄板(web)包括第一高推力或助推階段藥柱、中間低推力或維持階段藥柱和第二高推力或助推階段藥柱。
本發(fā)明的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)具有包括調(diào)節(jié)比超過30∶1在內(nèi)的多個優(yōu)點(diǎn)。另外，該系統(tǒng)籍由控制器的操作能包含有多種完成任務(wù)的時間(timelines)。再者，本發(fā)明的系統(tǒng)具有根據(jù)調(diào)節(jié)比、為助推階段推力的40-50％的適度推力的彈道中段修正能力，并能使固體推進(jìn)系統(tǒng)具有與液體推進(jìn)系統(tǒng)幾乎相同的沖量靈活性。
本發(fā)明固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)的其它細(xì)節(jié)以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)羅列在下列詳述和附圖中，其中類似的編號表示類似的部分。


圖1是本發(fā)明的一種固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)的示意圖；圖2是具有固定燃燒面積的藥柱輪廓的示意圖；圖3是具有本發(fā)明的一較佳實施例的燃燒面積的藥柱輪廓的示意圖；以及圖4是利用本發(fā)明的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)的一種沖量管理輪廓的圖表。
具體實施例方式
在kv與發(fā)射裝置分離的同時，第一助推(或高推力)階段開始。在該第一助推階段結(jié)束之后，kv進(jìn)入慣性飛行階段。正好在命中之前，該kv進(jìn)入第二助推階段。為了使kv完成其任務(wù)，該第二助推階段必須發(fā)生在該項任務(wù)中的一精確的點(diǎn)上。倘若發(fā)生得過早，則kv可能會在命中之前耗盡燃料而不能完成其任務(wù)。倘若第二助推階段發(fā)生得過晚，則kv可能會錯過其目標(biāo)。
現(xiàn)在請參閱附圖，圖1示出了本發(fā)明的一種固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)10。該系統(tǒng)10可使用在kv和其它類型的導(dǎo)彈和導(dǎo)彈應(yīng)用中。該系統(tǒng)10通常包括固體推進(jìn)氣體劑發(fā)生器12、控制閥14和控制器16，其中固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器12具有一種固體推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑具有用于在飛行的不同階段中產(chǎn)生不同推力級的藥柱輪廓，控制閥14用于調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器的有效輸出面積，而控制器16則用于控制控制閥14的操作，以便進(jìn)行發(fā)生器的壓力控制，并且確保當(dāng)kv或?qū)椀淖罱K飛行階段開始時發(fā)生第二助推階段。
控制閥14可包括本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何適當(dāng)類型的控制閥，它可抵抗可由熱的氣體發(fā)生器所引起的腐蝕?？刂破?6可包括本技術(shù)領(lǐng)域中已知的任何適當(dāng)?shù)目刂破鳌?br> 固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器包含有固體推進(jìn)劑藥柱18，該藥柱具有一種跨越薄板(從開始燃燒點(diǎn)或表面40到最終燃燒點(diǎn)的距離)的輪廓，該輪廓具有第一助推階段藥柱20、中間維持階段藥柱22和第二助推階段藥柱24。圖2示出了一種具有可使用在本發(fā)明系統(tǒng)中的固定燃燒面積的此類系統(tǒng)。通常，在這種類型的固體推進(jìn)劑系統(tǒng)中，操作壓力的范圍從大約100至大約2500psi。倘若采用這種類型的固體推進(jìn)劑藥柱輪廓、并僅僅控制閥的面積，則根據(jù)所選用的推進(jìn)劑的類型，可獲得最大的調(diào)節(jié)比(最大推力與最小推力之比)14∶1。
圖3示出了使用在本發(fā)明系統(tǒng)中的固體推進(jìn)劑藥柱18的一較佳實施例。如前所述，固體推進(jìn)劑藥柱18’自開始燃燒表面40’跨越薄板的輪廓包括第一助推階段藥柱20’、中間維持階段藥柱22’和第二、最終助推階段藥柱24’。如前所述，固體推進(jìn)劑具有大約100至2500 psi的操作壓力范圍。圖3中的固體推進(jìn)劑18’與圖2中的固體推進(jìn)劑的不同之處在于，它具有不固定的燃燒面積，其中第一和第二助推階段藥柱20’和24’各自的總面積要大于中間維持階段藥柱22’的總面積。在一種較佳實施例中，第一和第二助推階段藥柱20’和24’各自的總面積是中間維持階段藥柱22’的面積的至少2倍，最佳地為 倍。在不具備控制輸出面積的閥的情況下，已發(fā)現(xiàn)，此類固體推進(jìn)劑藥柱輪廓導(dǎo)致最大的調(diào)節(jié)比約為24∶1。
然而，已發(fā)現(xiàn)，倘若想要將圖3所示的固體推進(jìn)劑藥柱構(gòu)造裝入到本發(fā)明的控制系統(tǒng)中、并獲得大于30∶1的調(diào)節(jié)比，則須要通過改變閥的面積來管理在導(dǎo)彈或kv的飛行維持階段中、由固體推進(jìn)劑發(fā)生器所產(chǎn)生的沖量。
根據(jù)本發(fā)明，控制器16用于控制發(fā)生器的壓力，并計算推進(jìn)劑燃燒速率積分(integral)。該控制器16可包括本技術(shù)領(lǐng)域中已知的、用于執(zhí)行這些功能的任何適當(dāng)?shù)奶幚砥骰蚩刂破?。此外，如果需要的話，可利用本技術(shù)領(lǐng)域中任何適當(dāng)?shù)木幊陶Z言來對控制器16進(jìn)行編程，以便執(zhí)行上述功能。
為了向控制器16提供須要計算推進(jìn)劑燃燒速率的信息，設(shè)置傳感器26和28。傳感器26測量發(fā)生器12中的固體推進(jìn)劑的平均容積(bulk)溫度，并將測得的溫度傳送至控制器16。傳感器28測量正由發(fā)生器12所產(chǎn)生的氣體的實時壓力，并將測得的壓力傳送至控制器16。傳感器26和28可包括本技術(shù)領(lǐng)域中任何適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?br> 如圖1所示，控制器16還接收來自機(jī)載導(dǎo)航計算機(jī)(未圖示)的、關(guān)于目標(biāo)時間和推力級指令或模式指令的實時信息。如本文中所使用的，推力級指令是指要提供的推力的數(shù)量，并且模式指令是指對于高或低級推力的指令。
控制器16利用該信息來使發(fā)生器的壓力發(fā)生變化，以便在慣性飛行階段期間進(jìn)行較低推力的彈道中段修正。該修正是通過利用控制閥14來減小發(fā)生器的喉部面積、從而增加燃燒速率和由此而來的推力來進(jìn)行的。由于維持階段藥柱的燃燒面積較小，因而可用的推力也較小，約為最大(助推階段)轉(zhuǎn)向的40-50％。利用本發(fā)明的系統(tǒng)，通過改變閥的面積，10磅力的維持力對于彈道中段修正可轉(zhuǎn)至150磅力。
為了使飛行器能成功地完成其任務(wù)，最終燃燒面積的改變、第二助推階段的開始必須發(fā)生在攔截之前的一特定的時間段上。控制器16通過認(rèn)知第二助推階段藥柱燃燒時間和目標(biāo)時間來計算特定時間點(diǎn)。通過計算推進(jìn)劑燃燒速率積分，控制器能夠計算維持階段藥柱的剩余量。在慣性飛行期間，維持壓力級是由控制器16通過控制閥14來改變的。通過以這種方式來控制閥14，控制器16確保當(dāng)最終飛行階段必須開始時，最終助推階段藥柱在適當(dāng)?shù)臅r間點(diǎn)上暴露。圖4示出了一種想象的沖量管理例子。在該圖中，實線表示諸助推階段之間的最大時間和最大調(diào)節(jié)比，而點(diǎn)劃線則表示諸助推階段之間的最小時間和高得多的維持推力級。
倘若推進(jìn)劑燃燒速率積分計算開始于至維持階段的轉(zhuǎn)變，則可提高精確度。
如前所述，本發(fā)明的系統(tǒng)可使kv或?qū)椷m應(yīng)完成任務(wù)的較寬的時間范圍。該系統(tǒng)還提供適度推力(最大推力的40-50％)的彈道中段修正能力。而且，通過改變閥的面積，10磅力的維持推力對于彈道中段修正可轉(zhuǎn)至150磅力。
本發(fā)明的系統(tǒng)消除了固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，并且能夠使固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器具有與液體推進(jìn)系統(tǒng)幾乎相通的沖量靈活性。另外，該系統(tǒng)具有橡膠帶(rubber band)沖量輪廓的性能，以便通過燃燒速率積分計算和目標(biāo)時間信息來滿足可變的完成任務(wù)的時間。再者，本發(fā)明的系統(tǒng)避免了與高指數(shù)(exponent)推進(jìn)劑有關(guān)的壓力控制問題(靈敏度)，并將所需的閥節(jié)流范圍減小到3∶1以下。
顯而易見的是，根據(jù)本發(fā)明，已提供了一種用于高質(zhì)量流動調(diào)節(jié)比的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器沖量管理方案，它能完全滿足之前所羅列的各種裝置、目的和優(yōu)點(diǎn)。雖然已結(jié)合其特定實施例描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域中的那些熟練的技術(shù)人員在閱讀了上述內(nèi)容之后將對其它的替換、變化和變型一目了然。因此，本發(fā)明涵蓋了落在附加權(quán)項的較寬范圍之中的所有此類替換、變化和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于飛行器的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，包括具有固體推進(jìn)劑藥柱的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器，所述固體推進(jìn)劑藥柱具有用于產(chǎn)生不同推力級的輪廓；用于調(diào)節(jié)所述固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器的有效輸出面積的控制閥；以及用于計算所述固體推進(jìn)劑的燃燒速率的積分、且用于響應(yīng)所述固體推進(jìn)劑的燃燒速率的積分計算和代表目標(biāo)時間的信號來控制所述控制閥的操作的控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)生器中的所述固體推進(jìn)劑藥柱具有不固定的燃燒面積。
3.如權(quán)利要求2所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述輪廓包括第一助推階段藥柱、中間維持階段藥柱和第二助推階段藥柱。
4.如權(quán)利要求3所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，形成所述第一助推階段藥柱的所述發(fā)生器藥柱具有第一面積，所述第二助推階段藥柱具有第二面積，并且形成所述中間維持階段的所述藥柱具有小于所述第一和第二面積中各面積的第三面積。
5.如權(quán)利要求4所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第三面積是所述第一和第二面積中各面積的二分之一。
6.如權(quán)利要求4所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第三面積小于所述第一和第二面積中各面積的二分之一。
7.如權(quán)利要求1所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于感應(yīng)所述氣體發(fā)生器中的固體推進(jìn)劑的平均容積溫度的裝置；用于感應(yīng)正由所述固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器所產(chǎn)生的壓力的裝置；并且所述控制器接收來自所述溫度和壓力感應(yīng)裝置的、代表所感應(yīng)的溫度和所感應(yīng)的壓力的信號。
8.如權(quán)利要求1所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于接收代表至所述控制器的推力級指令的信號的裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于接收代表至所述控制器的模式指令的信號的裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的固體轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述固體推進(jìn)劑在第一助推階段中以第一級燃燒，在慣性飛行階段中以第二級燃燒，在第二階段中以第三級燃燒，并且所述控制器用于控制在所述慣性飛行階段中由所述固體推進(jìn)劑發(fā)生器所產(chǎn)生的壓力，以確保所述第二助推階段開始在一特定的時間點(diǎn)上。
11.一種用于控制飛行器的方法，包括提供具有固體推進(jìn)劑藥柱的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器和用于調(diào)節(jié)所述固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器的有效輸出面積的控制閥，其中所述固體推進(jìn)劑藥柱具有用于產(chǎn)生不同推力級的輪廓；將關(guān)于目標(biāo)時間的信息輸入到控制器中；在所述控制器中計算所述固體推進(jìn)劑的燃燒速率的積分；以及響應(yīng)所述目標(biāo)時間信息和所述算得的燃燒速率的積分，將至少一個信號從所述控制器傳送至所述控制閥，以便在飛行器的至少一段飛行中操作所述控制閥。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個信號在所述飛行的維持階段中被傳送至所述控制閥，以確保助推階段的適當(dāng)開始。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用在殺傷飛行器或?qū)椛系墓腆w轉(zhuǎn)向和姿態(tài)控制系統(tǒng)。該固體轉(zhuǎn)型和姿態(tài)控制系統(tǒng)包括具有固體推進(jìn)劑的固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器、用于調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器的有效輸出面積的控制閥、以及用于計算固體推進(jìn)劑的燃燒速率的積分、且用于響應(yīng)固體推進(jìn)劑的燃燒速率的積分計算來控制控制閥的操作的控制器。固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器較佳地具有有著不固定的燃燒面積和包括第一助推階段藥柱、中間維持階段藥柱和第二助推階段的藥柱輪廓的固體推進(jìn)劑?？刂破髟谌蝿?wù)的慣性飛行階段中控制控制閥的操作,以便第二助推階段藥柱在任務(wù)的最終階段開始時點(diǎn)火。
文檔編號B64G1/26GK1343869SQ0113269
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者安德魯·佩魯西 申請人:聯(lián)合技術(shù)股份有限公司