申请人信息

审核意见:无

申请人ID:1703115
真实姓名:肖宸康
自我介绍:高中学生,制造并发射了两枚探空火箭,擅长探空火箭设计与制造、各种电脑软件、编程及推进剂开发。
申请方式:个人

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【YZSR】AN高能燃料第一期第二、三阶段总结
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文号:826318  1703115 发表于 2016-10-3 12:08:05
中国最高的硝糖火箭----远征2号探空火箭 最终报告版
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文号:824908  1703115 发表于 2016-8-26 21:39:10
远征2号飞控例行报告,APM源代码分析及介绍(科创基金资助项目)(内容持续更新)
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文号:t79597  1703115 发表于 2016-4-14 20:59:12
来晚了,远征一号探空火箭详细总结
项目信息

审核意见:该研究内容丰富,对执行人/团队的能力要求较高,符合资助范围。同时尚有一些问题,建议加以完善。
(1)缺少关于时差定位系统的实现手段的描述,例如如何发出“脉冲”,箭载设备如何“随后”发出一个脉冲,地面子站如何接收这个脉冲,整个链条中的延迟波动如何消除。
(2)缺少关于惯导系统解算的姿态数据,如何作用于舵面方面的论述。
(3)工程量较大,45天的时间内完成有相当的难度,应合理预估时间避免超期。
(4)项目缺少研究目标或研究目标不明确。项目内容中只提到了想做什么,但是没有具体的性能指标或证明/证伪命题,从而缺少总体设计和对分系统指标的要求。很容易导致研究过程失控并且很难进行结题考核。
建议申报人对上述问题进行完善,减少“撒大网”的工作量,聚焦于核心问题,提高工作的学术技术层次。

远征3A 探空火箭航电系统与动力系统的研制

中文摘要
研制远征3A探空火箭系统的航电系统与动力系统

1 研究背景

远征3A探空火箭是196工程的重要部分,196工程开始于2019年6月,目的是为了研制一种具有高可靠性、高可复用性和先进性的探空火箭系统,搭载各型航电设备进行测试,为未来向太空进军夯实基础。本项目属于196工程的子项目。


2 研究目标

本项目总的目标是研制远征3A探空火箭系统的航电系统与动力系统,下面简要介绍各系统的具体技术目标。

2.1 动力系统的技术目标

研制动力系统的主要目标是为了给远征3A提供动力,对推进剂的能量性能并无严格要求。因此,动力系统推进剂选用经济、可靠的KNSB。不得不说,这种推进剂已经远远落后于时代,先进性更是无从谈起。但是在研制过程中将使用以下几种新工艺:

1.在制备推进剂的过程中尽可能的实现自动化与标准化。使用机械混合推进剂并使用恒温箱进行严格控温,一方面保证推进剂的一致性,一方面为将来浇筑更先进的高能固体燃料做经验积累。

2.推进剂与隔热层采用一体式浇筑,隔热层直接粘连在燃烧室内壁,推进剂使用整体贴壁浇筑。这种方法可以绝对杜绝由于采用“预制药柱”所带来的由于两段药柱间隔热层贴合不紧密造成的局部过热,同时也可以避免因为采用“预制药柱”而导致发动机在高加速度情况下最下段药柱被压碎的情况。

3.通管采用酚醛-石墨复合喷管。采用中口径的复合喷管,一方面改善了以往采用金属喷管时,燃气对喷管传热过多导致发动机局部过热的情况,另一方面令喷管的质量显著下降,降低了消极质量。

2.2 航电系统的技术目标

航电系统由两个分系统组成,为惯性导航系统与定位系统,下面分别进行简要介绍。

2.2.1 惯性导航系统

惯性导航系统位于箭体中部,主要提供惯性导航数据(姿态、高度、速度)并通过舵机对火箭的滚转进行控制。

2.2.2 定位系统

定位回传系统分为箭载与地面两部分,箭载系统搭载在头锥里,地面系统分为总站与子站两种。

主要原理为,首先由地面总站发出一个脉冲信号,箭载部分接收到信号后,随即发出另外一个脉冲信号,地面子站负责测量两次脉冲的时间间隔,由此推出火箭距每个子站的距离,通过无线透传汇总至总站,总站将所有数据拟合,得出火箭三维坐标。(系统原理类似于时差定位系统)


3 技术实现

3.1 动力系统的技术实现

推进剂参考Richard Nakka的教程以及论坛里的各个教程。

隔热层采用环氧树脂E57/GCC137,在制作过程中时刻保持燃烧室处于滚动状态,直到环氧初固。

发动机内弹道使用Richard Nakka的SRM-2014进行设计。

浇筑完毕后择机进行热试车,热试车主要测量发动机的推力以及工作过程中发动机外壁的温度,考察内弹道模拟误差与隔热层工作效果并将得到的内弹道数据使用RASAero II模拟远征3A的飞行弹道。

3.2 航电系统的技术实现

3.2.1 惯性导航系统的技术实现

3.2.1.1 硬件组成

单片机、三轴角速度传感器三轴磁场传感器、气压传感器、舵机

3.2.1.2 惯导数据获取

3.2.1.2.1 姿态角(欧拉角)获取

姿态角采用四元数解算,下面简单介绍算法(不做详细解释)。

初始化程序(只运行一次)

1.创立一个四元数Q(向量),写出其矩阵形式,令q0=1,q1=q2=q3=0

IMG_20200111_011831.jpg

2.发射前,读取地理坐标系下的磁场大小分量,记住M(向量),写出其矩阵形式。(磁场传感器一般只能测物体坐标系下的磁场大小分量,但当火箭还在发射架上时,可认为此时物体坐标系与地理坐标系重合)

主程序(循环运行)

1.读取现在物体坐标系的磁场大小分量

IMG_20200111_011842.jpg

2.读取此时角速度Wx  Wy  Wz和三轴磁场大小gx  gy  gz

3.将此时三轴磁场大小归一化

IMG_20200111_011846.jpg

4.将得到的磁场大小向量归一化的值与此时磁场大小分量叉乘,得到姿态误差向量

IMG_20200111_011811.jpg

5.令ex  ey  ez为误差向量对应的三个元素

IMG_20200111_011815.jpg

6.将磁场传感器修正的误差与角速度融合

IMG_20200111_011818.jpg

7.得到WbEb(物体坐标系下的角速度)

IMG_20200111_011823.jpg

8.求解四元数微分方程

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解法具体为三种,

(1)一阶毕卡法。就是简单的迭代算法,人人都会。

(2)四阶龙格库塔法。这是惯导中常用的解法,

捕获31.PNG

(3)精细积分法

精细积分方法是由钟万勰院士在1994年 提出来的一种科学计算方法。精细积分法主要计算是进行矩阵相乘,这在计算机上很容易实现。它一反常用的以差分近似为基础的算法,尽量采用解析公式,因此它可以大大提高计算精度,其数值结果可以比拟于精确解的数值结果。该方法自提出以来在力学方面应用广泛,但具体应用到捷联惯导系统方面的很少。

摘自《捷联系统四元数姿态解算的精细积分法》

笔者将对比这三种解法的优劣并最终选择最适合系统的解法。


9.四元数反推欧拉角

IMG_20200111_011851.jpg

10.得此时的欧拉角


3.2.1.2.2 高度数据获取

高度通过气压进行判断,将发射前的高度归零。采用卡尔曼滤波(将此时的高度与上次测量时高度拟合)或者滑动加权滤波,或者龙格库塔法处理高度数据。

3.2.1.2.3 速度获取

对高度数据微分求出速度,在飞行任务完毕后再求解速度,以提高惯导系统主程序的运行速度。

3.2.1.3 箭体滚转角控制

通过两个舵机对火箭的滚转角进行控制。对舵面进行CFD仿真计算其升、阻力系数,由此设置舵机的最大偏转角,舵机偏转角采用PID算法进行控制,拟合不同攻角(偏转角)下舵面的升力,确定“P” “I ”“D”的系数。

3.2.2 定位系统的技术实现

3.2.2.1 火箭位置解算

在进行定位时,子站在总站周围排布。2.2.2节提到,子站主要负责测量两次脉冲时间间隔 t 。

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3.2.2.2 各项参数的测量

dn 0 可以通过GPS定位,计算两点距离。

基站的坐标(an,bn,cn)也可以通过GPS定位完成。

tn测量是关键,其测量精度直接决定定位精度。从常规思想出发,要提高计时的最小单位,就必须用上更高速的时钟,可是单片机的高速时钟都由晶振倍频而来,而晶振的频率是有限的,另外就算晶振频率够高,单片机能否运行在这么高的主频也是个问题,而且MCU并不会用来裸跑程序,都会上操作系统,在操作系统内核下,中断的响应一般是控制在ms级别,要综合考虑系统开销,即便ns级的时间也是很难实现的。

而在ACAM的产品中,他们很聪明地利用芯片内部的逻辑门延迟来以高精度测量时间间隔,而最大的测量精度完全取决于内部信号通过逻辑门的传播时间,这个时间一般和电压和温度有关,比如3.3V 和 25°C 时,GP22 的最小分辨率是 90 ps。【1】

所以tn测量得测量可以通过GP22来完成。


4 前期研究成果

4.1 动力系统

动力系统的发动机与试车台在2019年8月完成了设计与加工。

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笔者使用SRM-2014进行了内弹道模拟。

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同时笔者也多次制备了KNSB,积累了一些制作经验。

KNSB.MP4_20200111_013224850.jpg

4.2 航电系统

惯性导航系统与定位系统的仓体设计加工完毕。

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笔者自学了矩阵、四元数、卡尔曼滤波、PID控制及其他的一些滤波算法颇有所得,同时在编程方面也颇有经验。


5 研究成果固定方式

  1. 等本项目研究结果汇总,以三个方面“动力系统”“惯性导航系统”“定位系统”在论坛相关版块发布较为严谨的帖子作为结题报告。

  2. 将研制的动力系统与航电系统安装在远征3A上,进行飞行测试。

  3. 将研制过程中的图片视频汇总、剪辑发至论坛和其他视频网站。





参考文献:

【1pz_cloud . [项目] 用Arduino测量一千亿分之1秒的时间 . Arduino中文社区 https://www.arduino.cn/thread-75358-1-1.html




附:关于各项研究预算的说明

下面对研究的各项预算用途及购买途径进行说明,以方便管理员审核。

打粉机  粉碎KN与SB https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.86.3ec6167fXhGJBP&id=601622906186&ns=1&abbucket=8


KNO3500g  KNSB推进剂的氧化剂共6瓶,本地化工店购买


山梨糖醇500g  KNSB推进剂的氧化剂共4瓶    https://detail.tmall.com/item.htmspm=a230r.1.14.30.2956a030ruJhIu&id=526483385596&ns=1&abbucket=8&skuId=3371378656860


环氧树脂E571.3KG  用于燃烧室隔热层 

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z09.2.9.132.KjOwgE&id=39574534394&_u=1enapdj6f7b


KC107  用于发动机热试车遥控点火  https://www.kechuang.org/t/84428


STM32F103C8T6  单片机,用于惯导、箭载定位、地面总站、地面子站*3 共6个

 https://detail.tmall.com/item.htmid=535614102774&ali_refid=a3_430582_1006:1104520036:N:1/KHyMpqi0UL69LZxL+iz7Ov3+p+GixP:d4099d41104da3ca23d6050920e30e87&ali_trackid=1_d4099d41104da3ca23d6050920e30e87&spm=a230r.1.14.3&skuId=4210184609575


HMC5883L模块  三轴磁场强度传感器,用于惯导的姿态解算一个装箭一个备用,共2个 

https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.30.17a8283aipCcjE&id=549257230087&ns=1&abbucket=8


TDC-GP22  用于精确测量时间,三个配给子站,另外一个备用 ,共4个

 https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.18.528e4c63I1Tckw&id=600972408818&ns=1&abbucket=8


舵机ES09MD  气动控制两个  

https://detail.tmall.com/item.htmspm=a230r.1.14.37.193c19997FD9PQ&id=601906322433&ns=1&abbucket=8&skuId=4379457482817


功放5W 用于地面总站与箭载部分的发射端功放,共两个 

https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.5-c.w4002-1172025301.71.3ece7108z3Bbr9&id=16335171038


无线透传模块 各地面站通讯用,每个定位分系统各1个另外2个备用,共7个 

https://detail.tmall.com/item.htmspm=a230r.1.14.11.5cb34c83F71WGq&id=41308120916&cm_id=140105335569ed55e27b&abbucket=8


惯导支架  采用3D打印技术加工支架将惯导固定在仪器仓中


惯导PCB  惯导的PCB电路打印


未列出项,由本人自费。

其他信息

审核意见:无

学科分类:喷气推进
研究周期:45天
资金预算:
用途 数量 单价(元) 合计(元) 专家建议(元)
打粉机 1 208 208 208
KNO3 500g 6 20 120 120
山梨糖醇 500g 4 8 32 32
环氧树脂E57 1.3kg 1 76 76 76
火箭点火控制器KC107 1 499 499 499
STM32F103C8T6 6 17 102 102
HMC5883L 2 31 62 62
TDC-GP22 4 65 260 260
舵机ES09MD 2 46 92 92
5w功放 2 100 200 200
无线透传模块 7 20 140 140
仪器支架 1 100 100 100
惯导PCB 1 30 30 30
申请金额:1921元,专家建议:1921元
项目状态

项目已中止

已放弃申请

盲目夸大自己的能力同时缺乏对航电系统的思考与理解。本人将吸取经验教训,从小方面入手,循序渐进已完成既定目标。在此真诚地感谢坛友与专家的意见,谢谢你们。

专家审核不通过,等待申请人修改

  • 提交申请
  • 专家审核
  • 管理员复核
  • 拨款
  • 结题
最新进展
系统11 天前
提交申请表
系统11 天前
用户信息通过审核
系统11 天前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:请把格式整理工整,段间不需要空行,不要有的空行有的不空,单位大小写应当规范。如果从word等软件粘贴,应当用记事本滤掉格式。请把这些问题处理好以后再提交。
系统11 天前
资金预算未通过审核,等待申请人修改。审核意见:本项目未审核,待项目计划部分修改完成重新提交后再审核。
系统10 天前
提交申请表
系统10 天前
被彻底拒绝
系统8 天前
用户信息通过审核
系统8 天前
项目信息未通过审核,等待申请人修改。审核意见:该研究内容丰富,对执行人/团队的能力要求较高,符合资助范围。同时尚有一些问题,建议加以完善。
(1)缺少关于时差定位系统的实现手段的描述,例如如何发出“脉冲”,箭载设备如何“随后”发出一个脉冲,地面子站如何接收这个脉冲,整个链条中的延迟波动如何消除。
(2)缺少关于惯导系统解算的姿态数据,如何作用于舵面方面的论述。
(3)工程量较大,45天的时间内完成有相当的难度,应合理预估时间避免超期。
(4)项目缺少研究目标或研究目标不明确。项目内容中只提到了想做什么,但是没有具体的性能指标或证明/证伪命题,从而缺少总体设计和对分系统指标的要求。很容易导致研究过程失控并且很难进行结题考核。
建议申报人对上述问题进行完善,减少“撒大网”的工作量,聚焦于核心问题,提高工作的学术技术层次。
系统8 天前
资金预算通过审核
17031158 天前
盲目夸大自己的能力同时缺乏对航电系统的思考与理解。本人将吸取经验教训,从小方面入手,循序渐进已完成既定目标。在此真诚地感谢坛友与专家的意见,谢谢你们。
来自:航天航空 / 喷气推进科创基金
2020-1-11 12:10:04
1703115(作者)
1楼

为什么在编辑器里字体是一样的,发出来后就不一样了?都是手打的

捕获32.PNG

捕获33.PNG


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1703115(作者)
2楼
引用 1703115 发表于 1 楼的内容:
为什么在编辑器里字体是一样的,发出来后就不一样了?都是手打的

而且感觉全文的字体都变小了我用的都是 16px  发出来却感觉像是 14px 的?

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1703115(作者)
3楼
引用 1703115 发表于 2 楼的内容:
而且感觉全文的字体都变小了我用的都是 16px  发出来却感觉像是 14px 的.....

@虎哥

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4楼

审核专家不太熟悉系统,点了彻底拒绝,他写的意见也全部丢失了,等星期一网管上班恢复流程。

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5楼

公式不是那么重要。惯性导航系统可以买到,各种传感器执行器也可以买。

但是他们怎么拼到一起,参数是否合适,如何测试验证?拼在一起的目的是什么,实验结果怎么样才算成功?记录哪些数据?

关键问题是:整个系统的方案和指标还没确定。
飞行器至少需要搭载哪些设备?如果是验证控制系统,那么导引的精度预期多少?如何判定测试通过或者不通过?
具体每个部件是采购还是自制,工期和价格,测试仪器要有哪些?所有的部件装上飞行器,体积重量有多少?
各个分系统的指标如何支撑系统的方案?如果没有明确的结论,至少要有一套明确的方案,即使不能保证管用。
实验场地要求?地面设备包括哪些,预期的现场布置安装?

从经验看,你申报的内容需要5个人搞6-12个月,电脑10台,测试仪器和耗材20万元起。

器材和费用还是小问题,可以众筹寻找资助。但是寻找资助也需要有明确的需求书,别人才能想办法去找来借给你


建议缩小范围,至少解决两个关键问题:飞行器的气动数计算,6dof飞行仿真
不管是自制程序,商用程序还是开源程序,目的是拿出一个计算结果。有了结果之后再制定下一步的方案,会更快接近你的目标。


[修改于 10 天前 - 2020-01-11 15:56:57]

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