Contribution to designing theory for the actuator for rocket motor thrust vector control by flexible nozzle

Пројектовање актуационих система, посебно електро хидрауличних, предмет је обимних истраживања већ дуги низ година, може се рећи готово већ 70 година, када је почео развој ове области технике за потребе војног ваздухопловства на крају Другог светског рата. Истраживања су посебно интезивна од почетка широке употребе рачунара, када су се створили услови за имплементацију сложених математичких форми алгоритама управљања. Тада су створени услови за имплементацију постојећих алгоритама управљања са претходним искуством у оквиру аналогне технике и развоја великог броја додатних алгоритамских решења. У овом раду је развијена специфична методологија инжењерског дизајна актуатора за управљање вектором потиска ракетног мотора са флексибилним млазником на основу теорисјких анализа, са елементима аксиоматског приступа, која треба да олакшава рад пројектанту ове класе актуационих система. Резултат обимне систематизације је припрема теоријске основе да се посебно може разматрати флексибилни млазник као специфична врста структурног оптерећења актуатора, са елементима позиционог и инерцијалног оптерећења. У оквиру истраживачког рада у тези, сукцесивно се разматра опис еластичног оптерећења, избор конфигурације електро хидрауличног актуатора, базни линеарни и нелинеарни математички модели, критеријуми за избор алгоритама управљања и процењује се стварни проблем немоделоване динамике актуационог система. Кроз претходну теоријску анализу, синтетитизован је алгоритам управљања на основу off-line идентификације, који је проверен на симулатору оптерећења са реалним електро хидрауличним актуатором и дефинисана је конфигурација електро хидрауличног актуатора која решава проблем закретања млазника око тачке везе са актуатором после аксијалног померања флексибилне везе на почетку рада ракетног мотора.Design of actuation systems, especially electro hydraulics systems, has been subject of research in the past decades, we can say almost for 70 years, when started the development of this field of technology to the needs of military aviation at the end of the Second World War. Research has particularly intense since the beginning of the widespread use of computers, when they created the conditions for the implementation of complex mathematical algorithms form. Then they created the conditions for the implementation of the existing control algorithms with previous experience within the analogue techniques and the development of a large number of additional algorithmic solutions. In this thesis we developed a specific methodology for the engineering design of the actuator for thrust vector control of rocket engine with flexible nozzle based on theoretic analysis with elements of the axiomatic approach, which should facilitate the work of the designer of this class of actuating systems. The result of extensive systematization is prepared theoretical basis for consideration of the flexible nozzle as a specific type of structural load of actuators, with elements of positioning type and inertial type loads. Within the research work in the thesis, the focus is the description of elastic load, selection of the configuration of the electro hydraulic actuators, basic linear and nonlinear mathematical models, criteria for the selection of control algorithms and assesses the actual problem of non-modeled dynamics actuating systems. With previous theoretical analysis, the control algorithm has been synthesized based on off-line identification, which is checked in the simulator with real electro hydraulic actuator and is defined the configuration of electro hydraulic actuator that solves the problem of nozzle swivel around point of connection with an actuator after the axial displacement of flexible connections at rocket motor starting phase

Different modeling technologies of hydraulic load simulator for thrust vector control actuator

Hydraulic simulators are extremely important in the flight control actuator system's verification process. Flexible nozzle has a number of specifics, comparing to other flight controls, because the load cannot be described, classically, by the hinge moment. Additionally, classical hydraulic simulator, in which the cylinder simulates the load, is not sufficient for performing a complete simulation of the real load. Building a mechanical pendulum, to which a hydraulic cylinder acts, and that rests on two elastic supports, enables simulation of additional phenomena that exist in flexible nozzle, but not in other control surfaces. Force from impulse that exists in reality, and which is impossible to be generated by standard hydraulic simulator, can be realized through the pendulum. This paper demonstrates that a simulator can be designed through modelling of the elastic load using bond graph, without a precise elaboration of direction of forces in elastic structure, just by observing, on energy level, the input of force in flexible structure over the point in which actuator force acts. Simulator with hydraulic cylinder is convenient to be used when there is a need for considering the risk of self-oscillation of flexible joint and nozzle, i.e. for defining the so-called notch filter. Then, the hydraulic cylinder of load simulator can generate the oscillation, frequency and amplitude that match this dynamic case of flexible nozzle actuator's load that is being reduced to its piston rod, without a risk of damaging the flexible structure that exists in the construction of a simulator with pendulum

Design criterion to select adequate control algorithm for electro-hydraulic actuator applied to rocket engine flexible nozzle thrust vector control under specific load

Rad razmatra problematiku kako na najbolji način izabrati algoritam upravljanja za elektro- hidraulični aktuator sa definisanim opterećenjem. Polazi se od pretpostavke idealnog algoritma upravljanja koji se prilagođava stvarnoj konfiguraciji elektrohidrauličnog aktuatora i definisanom opterećenju. Razmatra se netipično fleksibilno opterećenje, viskozoelastično, sa znatnim histerezisom koji dodatno zavisi od vremena odnosno temperature. Predlažu se dva načina modelovanja opterećenja i prikazuje se koliko opcije modelovanja opterećenja utiču na stvarni odziv aktuatorskog sistema. U razmatranom slučaju glavni poremećaj je spoljna sila prouzrokovana realnim oscilacijama sile potiska.The paper presents the challenge of finding the best criterion in selecting adequate control algorithm for electro-hydraulic actuator with a defined load. The ideal control algorithm that adapts to the actual configuration of electro-hydraulic actuator and defined load is used as an initial assumption. Atypical flexible load that is viscose-elastic, with a significant level of hysteresis that also depends on time and temperature is considered as well. Two types of load modeling approaches are proposed, accompanied by presentation on how load modeling options affect the actual response of an actuator system. The main disturbance, in this case, is considered to be external force generated by thrust force real oscillations

Measurement of the direct damping derivative in roll of the two calibration missile models

U ovom radu opisano je merenje prigušnog derivativa stabilnosti u valjanju u aerotunelu T- 38. Prikazani su rezultati dobijeni na dva kalibraciona modela: Basic Finner Model i Modified Basic Finner Model. Uređaj za merenje derivativa stabilnosti je uređaj sa prinudnim oscilacijama modela i to sa primarnim oscilatornim kretanjem u ravni valjanja. Pobudni moment u valjanju meren je petokomponentnom aerovagom sa mernim trakama. Ova aerovaga je projektovana i izrađena za dinamička aerotunelska merenja. Amplitude i fazni stavovi pobudnog momenta određeni su u frekventnom domenu primenom kros-korelacione metode. Rezultati dobijeni u aerotunelu T-38 upoređeni su sa objavljenim eksperimentalnim rezultatima dobijenim u Arnold Engineering Development Center-von Karman 4ft aerotunelu.Measurement of the direct damping derivative in roll in the T-38 wind tunnel is described in this paper. The T-38 wind tunnel data for the Basic Finner Model and Modified Basic Finner model are shown. The forced oscillation technique was used for these measurements. The roll apparatus for the stability derivatives measurement is a full-model forced oscillation apparatus with primary angular oscillation around a longitudinal axis of the model. The excitation moment in roll was measured with the five- component strain gauge balance. This balance was designed and built for the wind tunnel dynamic measurements. The amplitudes and phase shifts of the excitation moment were calculated in frequency domain by applying cross-correlation technique. The T-38 wind tunnel results are compared with published experimental results of the Arnold Engineering Development Center-von Karman 4ft wind tunnel

Different modeling technologies of hydraulic load simulator for thrust vector control actuator

Hidraulički simulatori su posebice važni u procesu verifikacije aktuacijskog sustava za kontrolu leta. Fleksibilni mlaznik ima niz specifičnosti u odnosu na druge komande leta, jer se opterećenje ne može opisati na klasičan način preko zglobnog momenta. Pored toga, klasičan hidraulički simulator, na bazi cilindra koji simulira opterećenje, nije dovoljan za potpunu simulaciju realnog opterećenja. Potrebno je napraviti mehaničko njihalo na koje deluje hidraulički cilindar i koje se oslanja na dva elastična oslonca kako bi se mogle simulirati i dopunske pojave koje postoje kod fleksibilnog mlaznika, a koji ne postoje kod drugih upravljačkih površina. Preko njihala se može zadati impulsna sila koja postoji u realnosti, a koju nije moguće generirati standardnim hidrauličkim simulatorom. U članku se pokazuje da se modeliranjem elastičnog opterećenja preko bond grafova simulator može projektirati bez preciznog razmatranja smjerova i pravaca sila u elastičnoj strukturi, već se samo energetski promatra unošenje sile u fleksibilnu strukturu preko mjesta djelovanja aktuacijske sile. Simulator s hidrauličkim cilindrom je pogodan u slučaju kad treba razmotriti rizik od vlastitih vibracija fleksibilne veze i mlaznika, to jest definirati takozvani notch filter. Tada hidraulički cilindar simulatora opterećenja može generirati oscilatorno gibanje, frekvenciju i amplitudu koje odgovaraju ovom dinamičkom slučaju opterećenja aktuatora fleksibilnog mlaznika koje je svedeno na njegovu klipnjaču, a da ne postoji rizik oštećenja fleksibilne strukture koja postoji u konstrukciji simulatora s njihalom.Hydraulic simulators are extremely important in the flight control actuator system’s verification process. Flexible nozzle has a number of specifics, comparing to other flight controls, because the load cannot be described, classically, by the hinge moment. Additionally, classical hydraulic simulator, in which the cylinder simulates the load, is not sufficient for performing a complete simulation of the real load. Building a mechanical pendulum, to which a hydraulic cylinder acts, and that rests on two elastic supports, enables simulation of additional phenomena that exist in flexible nozzle, but not in other control surfaces. Force from impulse that exists in reality, and which is impossible to be generated by standard hydraulic simulator, can be realized through the pendulum. This paper demonstrates that a simulator can be designed through modelling of the elastic load using bond graph, without a precise elaboration of direction of forces in elastic structure, just by observing, on energy level, the input of force in flexible structure over the point in which actuator force acts. Simulator with hydraulic cylinder is convenient to be used when there is a need for considering the risk of self-oscillation of flexible joint and nozzle, i.e. for defining the so-called notch filter. Then, the hydraulic cylinder of load simulator can generate the oscillation, frequency and amplitude that match this dynamic case of flexible nozzle actuator’s load that is being reduced to its piston rod, without a risk of damaging the flexible structure that exists in the construction of a simulator with pendulum

Contribution to designing theory for the actuator for rocket motor thrust vector control by flexible nozzle

Пројектовање актуационих система, посебно електро хидрауличних, предмет је обимних истраживања већ дуги низ година, може се рећи готово већ 70 година, када је почео развој ове области технике за потребе војног ваздухопловства на крају Другог светског рата. Истраживања су посебно интезивна од почетка широке употребе рачунара, када су се створили услови за имплементацију сложених математичких форми алгоритама управљања. Тада су створени услови за имплементацију постојећих алгоритама управљања са претходним искуством у оквиру аналогне технике и развоја великог броја додатних алгоритамских решења. У овом раду је развијена специфична методологија инжењерског дизајна актуатора за управљање вектором потиска ракетног мотора са флексибилним млазником на основу теорисјких анализа, са елементима аксиоматског приступа, која треба да олакшава рад пројектанту ове класе актуационих система. Резултат обимне систематизације је припрема теоријске основе да се посебно може разматрати флексибилни млазник као специфична врста структурног оптерећења актуатора, са елементима позиционог и инерцијалног оптерећења. У оквиру истраживачког рада у тези, сукцесивно се разматра опис еластичног оптерећења, избор конфигурације електро хидрауличног актуатора, базни линеарни и нелинеарни математички модели, критеријуми за избор алгоритама управљања и процењује се стварни проблем немоделоване динамике актуационог система. Кроз претходну теоријску анализу, синтетитизован је алгоритам управљања на основу off-line идентификације, који је проверен на симулатору оптерећења са реалним електро хидрауличним актуатором и дефинисана је конфигурација електро хидрауличног актуатора која решава проблем закретања млазника око тачке везе са актуатором после аксијалног померања флексибилне везе на почетку рада ракетног мотора.Design of actuation systems, especially electro hydraulics systems, has been subject of research in the past decades, we can say almost for 70 years, when started the development of this field of technology to the needs of military aviation at the end of the Second World War. Research has particularly intense since the beginning of the widespread use of computers, when they created the conditions for the implementation of complex mathematical algorithms form. Then they created the conditions for the implementation of the existing control algorithms with previous experience within the analogue techniques and the development of a large number of additional algorithmic solutions. In this thesis we developed a specific methodology for the engineering design of the actuator for thrust vector control of rocket engine with flexible nozzle based on theoretic analysis with elements of the axiomatic approach, which should facilitate the work of the designer of this class of actuating systems. The result of extensive systematization is prepared theoretical basis for consideration of the flexible nozzle as a specific type of structural load of actuators, with elements of positioning type and inertial type loads. Within the research work in the thesis, the focus is the description of elastic load, selection of the configuration of the electro hydraulic actuators, basic linear and nonlinear mathematical models, criteria for the selection of control algorithms and assesses the actual problem of non-modeled dynamics actuating systems. With previous theoretical analysis, the control algorithm has been synthesized based on off-line identification, which is checked in the simulator with real electro hydraulic actuator and is defined the configuration of electro hydraulic actuator that solves the problem of nozzle swivel around point of connection with an actuator after the axial displacement of flexible connections at rocket motor starting phase

Contribution to designing theory for the actuator for rocket motor thrust vector control by flexible nozzle

Пројектовање актуационих система, посебно електро хидрауличних, предмет је обимних истраживања већ дуги низ година, може се рећи готово већ 70 година, када је почео развој ове области технике за потребе војног ваздухопловства на крају Другог светског рата. Истраживања су посебно интезивна од почетка широке употребе рачунара, када су се створили услови за имплементацију сложених математичких форми алгоритама управљања. Тада су створени услови за имплементацију постојећих алгоритама управљања са претходним искуством у оквиру аналогне технике и развоја великог броја додатних алгоритамских решења. У овом раду је развијена специфична методологија инжењерског дизајна актуатора за управљање вектором потиска ракетног мотора са флексибилним млазником на основу теорисјких анализа, са елементима аксиоматског приступа, која треба да олакшава рад пројектанту ове класе актуационих система. Резултат обимне систематизације је припрема теоријске основе да се посебно може разматрати флексибилни млазник као специфична врста структурног оптерећења актуатора, са елементима позиционог и инерцијалног оптерећења. У оквиру истраживачког рада у тези, сукцесивно се разматра опис еластичног оптерећења, избор конфигурације електро хидрауличног актуатора, базни линеарни и нелинеарни математички модели, критеријуми за избор алгоритама управљања и процењује се стварни проблем немоделоване динамике актуационог система. Кроз претходну теоријску анализу, синтетитизован је алгоритам управљања на основу off-line идентификације, који је проверен на симулатору оптерећења са реалним електро хидрауличним актуатором и дефинисана је конфигурација електро хидрауличног актуатора која решава проблем закретања млазника око тачке везе са актуатором после аксијалног померања флексибилне везе на почетку рада ракетног мотора.Design of actuation systems, especially electro hydraulics systems, has been subject of research in the past decades, we can say almost for 70 years, when started the development of this field of technology to the needs of military aviation at the end of the Second World War. Research has particularly intense since the beginning of the widespread use of computers, when they created the conditions for the implementation of complex mathematical algorithms form. Then they created the conditions for the implementation of the existing control algorithms with previous experience within the analogue techniques and the development of a large number of additional algorithmic solutions. In this thesis we developed a specific methodology for the engineering design of the actuator for thrust vector control of rocket engine with flexible nozzle based on theoretic analysis with elements of the axiomatic approach, which should facilitate the work of the designer of this class of actuating systems. The result of extensive systematization is prepared theoretical basis for consideration of the flexible nozzle as a specific type of structural load of actuators, with elements of positioning type and inertial type loads. Within the research work in the thesis, the focus is the description of elastic load, selection of the configuration of the electro hydraulic actuators, basic linear and nonlinear mathematical models, criteria for the selection of control algorithms and assesses the actual problem of non-modeled dynamics actuating systems. With previous theoretical analysis, the control algorithm has been synthesized based on off-line identification, which is checked in the simulator with real electro hydraulic actuator and is defined the configuration of electro hydraulic actuator that solves the problem of nozzle swivel around point of connection with an actuator after the axial displacement of flexible connections at rocket motor starting phase