运载火箭质量参数估算方法技术

本发明专利技术公开了一种运载火箭质量参数估算方法，属于航空航天技术领域，解决现有质量参数选择中，计算量大，不准确的技术问题；质量参数估算方法包括：进行任务指标分析，选择总体方案，确定各系统参数；确定设计变量、优化目标、约束条件，由质量参数模型建立对应的数学模型，质量参数模型包括：顺次计算的推进剂质量分数计算模块、系数Ki计算模块、级间质量比计算模块和总体质量计算模块；对运载火箭进行质量参数化建模，编写一体化计算程序，给定输入输出文件；选择优化算法输入优化器中，对质量参数化模型进行选择，得到基准设计方案。本发明专利技术减少了运载火箭在总体方案阶段的迭代设计次数，方法流程简单，计算量小，具有高效性。

Estimation method for mass parameters of launch vehicle

The invention discloses a method for estimating the quality parameters of launch vehicle, which belongs to the field of aerospace technology, and solves the technical problems of large amount of calculation and inaccuracy in the selection of existing quality parameters. To optimize the objectives and constraints, the corresponding mathematical model is established by the mass parameter model. The mass parameter model includes: the propellant mass fraction calculation module, the coefficient Ki calculation module, the stage mass ratio calculation module and the total mass calculation module. The mass parametric model of launch vehicle is established and integrated. The optimization algorithm is selected in the input optimizer, and the quality parametric model is selected to obtain the benchmark design scheme. The invention reduces the iteration design times of the launch vehicle in the overall scheme stage, has simple method flow, small calculation amount and high efficiency.

【技术实现步骤摘要】
运载火箭质量参数估算方法
本专利技术涉及航空航天
，尤其是涉及一种运载火箭质量参数估算方法。
技术介绍
航空航天领域的发展程度是衡量一个国家空间探索能力和判定综合国力是否强大的重要标准之一；目前国内外开展的运载火箭多学科设计优化计算量大、时间长、系统复杂，因此在开展质量参数选择之前需要给出一个基准设计方案，而航天系统的产品无法给出大规模数据的参考以获知运载器的质量参数选择，研究人员只能通过同类别其他型号运载火箭进行对比，因而无法较为准确、尽可能缩小质量参数选择的输入变量范围。因此，如何提供运载火箭质量参数估算方法，既能够减少了运载火箭在总体方案阶段的迭代设计次数，又能够使质量参数估算方法流程简单，计算量小，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种运载火箭质量参数估算方法，以解决现有参数选择中，计算量大，不准确的技术问题。本专利技术提供一种运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，包括如下步骤：进行任务指标分析，选择总体方案，确定各系统参数；确定设计变量、优化目标、约束条件，由质量参数模型建立对应的数学模型，所述质量参数模型包括：顺次计算的推进剂质量分数计算模块、系数Ki计算模块、级间质量比计算模块和总体质量计算模块；对运载火箭进行质量参数化建模，编写一体化计算程序，给定输入输出文件；选择优化算法输入优化器中，对质量参数化模型进行选择，得到基准设计方案。进一步地，其特征在于，所述任务指标包括推进剂组合、运载火箭各级直径、有效载荷质量和有效载荷释放速度。进一步地，所述系统参数均为无因次系数，所述系统参数包括氧燃比、氧化剂相关结构质量系数、氧化剂消极质量分数、燃料相关结构质量分数、燃料消极质量系数、尾段和级间段结构质量系数。进一步地，所述设计变量是指各级速度增量，所述优化目标是指起飞质量，所述约束条件是指有效载荷释放高度、长细比和总速度增量。进一步地，所述质量参数化建模是指将数学模型用计算机语言进行编写。进一步地，所述一体化计算程序采用所述计算机语言的应用程序文件，且输入输出使用对应的输入输出文件或，输入输出设计界面。更进一步地，所述运载火箭包括整流罩、有效载荷、载荷支持释放系统、飞控电气系统和动力系统；所述整流罩为壳体，且内设有所述有效载荷，所述有效载荷通过所述载荷支持释放系统与所述动力系统可拆卸连接，所述载荷支持释放系统与所述飞控电气系统连接；所述整流罩与所述飞控电气系统可拆卸相连。更进一步地，所述动力系统包括顺次可拆卸连接的多级火箭发动机，所述飞控电气系统能够用于所述子火箭的滚动控制。更进一步地，所述推进剂质量分数计算模块中，推进剂质量分数μk是指火箭推进剂质量与火箭起飞质量之比，可由齐奥尔科夫斯基公式获得，如下所示：其中，Isp为发动机比冲，由选定的推进剂组合和发动机工作状态确定；所述系数Ki计算模块中，Ki为发动机全部质量与推进剂质量之比，由固液火箭发动机质量方程式决定，如下所示：其中：αdi,o为氧化剂相关结构质量系数；αmpi,o为氧化剂消极质量分数；αi为氧燃比；αdi,f为燃料相关结构质量分数；αmpi,f为燃料消极质量系数；所述级间质量比计算模块中，级间质量比εi可由推进剂质量分数μk并结合固液火箭发动机质量方程得出，如下所示：εi＝1-Ni-ukiKi所述总体质量计算模块中，在得到级间质量比εi后，通过有效载荷质量可依次推出其下一级发动机质量。更进一步地，所述系数Ki计算模块中，系数Ki的具体计算方法如下：固液火箭发动机中推进剂分为液体氧化剂、固体燃料两部分，运载火箭各级子火箭质量方程如下：m0i＝m0,i+1+mmotori+mti其中，m0i为第i级子火箭的总质量，当i＝1时为火箭总质量，最后一级火箭总质量为有效载荷的质量mpl；mmotori为第i级子火箭的发动机质量；mti为第i级子火箭的舱段连接结构质量；对于固液火箭发动机，可将质量mmotori分为液体氧化剂相关发动机质量mmotori,o与固体燃料相关发动机质量mmotori,f两部分，分别计算如下：mmotori＝mmotori,o+mmotori,fmmotori,o＝mdi,o+moi+Δmoimmotori,f＝mdi,f+mfi+Δmfi其中，mdi,o、mdi,f分别为第i级子火箭发动机分别与氧化剂、燃料相关部分的结构质量；moi为液体氧化剂有效质量，Δmoi为液体氧化剂消极质量，mfi为固体燃料质量，Δmfi为消极固体燃料质量；若将氧燃比αi定义为有效氧化剂与燃料混合质量之比，如下公式：αi＝moi/mfi则有：其中，mpi为第i级子火箭发动机消耗的推进剂总质量；对于液体氧化剂部分，有如下液体氧化剂相关结构公式：mdi,o＝αdi,o(moi+Δmoi)式中αdi,o为氧化剂相关结构质量系数，氧化剂非工作储量即液体氧化剂消极质量Δmoi计算如下：Δm0＝αmpi,omoi其中αmpi,o为氧化剂消极质量分数，综上，液体氧化剂相关部分发动机质量方程如下所示：同理，对于固体燃料相关部分发动机质量，可参照固体火箭的质量模型与质量方程推导得到，全部燃料相关结构质量mdi,f与燃料总量有关，公式如下：mdi,f＝αdi,f(mfi+Δmfi)其中，αdi,f为燃料相关结构质量分数，由燃料消极质量系数αmpi,f可得到如下公式：mdi,f＝αmpi,fmfi综上，固体燃料部分火箭质量方程如下公式：即第i级火箭的舱段连接结构质量mti，如下公式所示：mti＝Nimoi其中Ni为无因次统计系数；综上，得出固液运载火箭的质量方程如下：根据：mpi＝ukimoiεi＝mo,i+1/moi即，固液运载火箭的质量方程如下：εi＝1-Ni-ukiKi相对于现有技术，本专利技术所述的一种运载火箭质量参数估算方法具有以下优势：本专利技术提供一种运载火箭质量参数估算方法，包括如下步骤：进行任务指标分析，选择总体方案，确定各系统参数；确定设计变量、优化目标、约束条件，由质量参数模型建立对应的数学模型，所述质量参数模型包括：顺次计算的推进剂质量分数计算模块、系数Ki计算模块、级间质量比计算模块和总体质量计算模块；对运载火箭进行质量参数化建模，编写一体化计算程序，给定输入输出文件；选择优化算法输入优化器中，对质量参数化模型进行选择，得到基准设计方案。本专利技术提供的一种运载火箭质量参数估算方法有效地解决了现有火箭质量参数的选择中，计算量大、且不准确的技术问题，对于本专利技术而言：其一，有效地减少了运载火箭在总体方案阶段的迭代设计次数，降低学科耦合对总体设计的影响；其二，火箭质量参数估算方法流程简单，计算量小，具有高效性，有利于设计人员对运载火箭的规模认知与各部件设计参考，便于与同类运载器进行比较或修改方案；其三，本专利技术的基准设计方案的结果可作为后续多学科设计优化的参考，有利于确定多学科设计优化的设计变量取值范围。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的运载火箭质量结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，包括如下步骤：进行任务指标分析，选择总体方案，确定各系统参数；确定设计变量、优化目标、约束条件，由质量参数模型建立对应的数学模型，所述质量参数模型包括：顺次计算的推进剂质量分数计算模块、系数Ki计算模块、级间质量比计算模块和总体质量计算模块；对运载火箭进行质量参数化建模，编写一体化计算程序，给定输入输出文件；选择优化算法输入优化器中，对质量参数化模型进行选择，得到基准设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，包括如下步骤：进行任务指标分析，选择总体方案，确定各系统参数；确定设计变量、优化目标、约束条件，由质量参数模型建立对应的数学模型，所述质量参数模型包括：顺次计算的推进剂质量分数计算模块、系数Ki计算模块、级间质量比计算模块和总体质量计算模块；对运载火箭进行质量参数化建模，编写一体化计算程序，给定输入输出文件；选择优化算法输入优化器中，对质量参数化模型进行选择，得到基准设计方案。2.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述任务指标包括推进剂组合、运载火箭各级直径、有效载荷质量和有效载荷释放速度。3.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述系统参数均为无因次系数，所述系统参数包括氧燃比、氧化剂相关结构质量系数、氧化剂消极质量分数、燃料相关结构质量分数、燃料消极质量系数、尾段和级间段结构质量系数。4.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述设计变量是指各级速度增量，所述优化目标是指起飞质量，所述约束条件是指有效载荷释放高度、长细比和总速度增量。5.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述质量参数化建模是指将数学模型用计算机语言进行编写。6.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述一体化计算程序采用所述计算机语言的应用程序文件，且输入输出使用对应的输入输出文件或，输入输出设计界面。7.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述运载火箭包括整流罩、有效载荷、载荷支持释放系统、飞控电气系统和动力系统；所述整流罩为壳体，且内设有所述有效载荷，所述有效载荷通过所述载荷支持释放系统与所述动力系统可拆卸连接，所述载荷支持释放系统与所述飞控电气系统连接；所述整流罩与所述飞控电气系统可拆卸相连。8.根据权利要求7所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述动力系统包括顺次可拆卸连接的多级火箭发动机，所述飞控电气系统能够用于所述子火箭的滚动控制。9.根据权利要求1所述的运载火箭质量参数估算方法，其特征在于，所述推进剂质量分数计算模块中，推进剂质量分数μk是指火箭推进剂质量与火箭起飞质量之比，可由齐奥尔科夫斯基公式获得，如下所示：其中，Isp为发动机比冲，由选定的推进剂组合和发动机工作状态确定；所述系数Ki计算模块中，Ki为发动机全部质量与推进剂质量之比，由固液火箭发动机质量方程式决定，如下所示：其中：αdi,o为氧化剂相关结构质量系数；αmpi,o为氧化剂消极质量分数；αi为氧燃比；αdi,f为燃料相关结构质量分数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓天，王鹏程，王逸宁，李晓刚，蔡国飙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11