一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，包括：建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型；设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差；识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系；基于各个参数的额定值计算额定分离速度；根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量；判断各个组合状态下的最小测量变量是否满足分离期望值，如果均满足则完成参数额定值及上下偏差设置，否则进行修改。该方法减少了设计人员人为判断发生遗漏的可能。判断发生遗漏的可能。判断发生遗漏的可能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法


[0001]本专利技术涉及多级运载火箭
，尤其涉及一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法。

技术介绍

[0002]运载火箭级间分离按照分离能源分类有冷分离、热分离两种，按照分离过程可以分为一次分离和二次分离。冷分离的分离能源有固体小火箭、分离弹簧、冷气推杆等；热分离的分离能源主要为前分离体的发动机喷流，喷流作用在后分离体上，产生分离力，在分离力作用下，后分离体与前分离体之间产生位移，实现级间分离。冷分离方案中，推迟了前分离体的发动机点火时间，增加了火箭飞行过程中的重力影响，对运载能力产生损失。热分离主要应用在固体运载火箭上(早期液体运载火箭也有采用热分离方式)，但热分离方式的设计难度大，地面试验验证系统复杂。
[0003]因为级间分离失败意味着型号首飞失败，因此运载火箭研制过程中基本都会开展级间分离试验，由于工期紧张，地面分离试验也基本要求一次成功，这样就需要在方案设计阶段开展分离设计及分离仿真计算。传统分离仿真计算是基于刚体动力学，提取出影响分离安全的参数，并设计偏差，逐项手动组合偏差。人工偏差组合有人为判断因素，不仅准确率低，而且效率还不高。在计算机运算能力高速发展后，利用计算机和仿真程序，快速准确仿真出分离过程及分离安全性，对于型号研发进展和技术团队能力提升具有重要意义。
[0004]现有级间分离仿真方案，主要是利用刚体动力学仿真软件，设计前分离体和后分离体刚体模型，通过质量、质心位置、运动和转动速度、分离力等参数，并手动调整参数偏差，开展分离安全性分析。
[0005]由于人工设置分离参数偏差，计算效率低，计算准确率差，参数对分离安全性的影响敏感度需要人工判断，影响方案选择和方案设计的效率，进而影响总体设计团队的迭代周期，增加了方案阶段的时间成本和人工成本。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，能够减少摘选参数对于分离安全性敏感程度的过程，统一把各项分离参数及偏差均建立在动力学仿真模型中，利用计算机开展任意组合式动力学仿真计算，在分析结果中，可直接提取所有工况计算结果，并对结果进行对比，得到分离过程安全性计算结果。采用本专利技术的仿真方法，计算工况完整、仿真前处理工作大量简化，计算结果准确度高，程序集成化高，人工成本低，研制周期短。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，包括：
[0008](1)建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型；
[0009](2)设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差；
[0010](3)识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系，以两个坐标系的间距为测量变量，表征危险点及对应的碰撞区域之间的间距；
[0011](4)基于各个参数的额定值计算额定分离速度；
[0012](5)根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量；
[0013](6)判断各个组合状态下的最小测量变量是否满足分离期望值，如果均满足则完成参数额定值及上下偏差设置，否则返回步骤(2)，对不满足分离期望值时对应组合的参数额定值或上下偏差进行修改。
[0014]进一步地，三维刚体模型采用ADAMS软件构建，或者采用其他软件建模后导入ADAMS软件。
[0015]进一步地，所述参数包括质量、转动惯量、速度、角速度以及角加速度。
[0016]进一步地，采用ADAMS软件进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量。
[0017]进一步地，两个坐标系的间距为正表明未发生碰撞，为0表明处于临界状态，为负表明发生碰撞。
[0018]进一步地，如果通过修改参数额定值或上下偏差仍然无法使得各个组合状态下的最小测量变量满足分离期望值，则修改分离结构。
[0019]进一步地，修改分离结构包括：提高分离速度、改进反推火箭的推力、增加反推火箭个数、减小参数偏差范围、改进危险间隙处结构、延长发动机后效消耗时间以及提高分离能源偏差精度。
[0020]进一步地，分离期望值不小于100mm。
[0021]本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0022]本专利技术设分离模型中具有n个参数，则所有参数上下限排列组合后具有2的n次方个工况，设计人员人工设置及分析的话，时间成本极高，例如10个参数共1024种工况，15个参数共32768种工况。与最接近的现有技术相比，减少了设计人员人为判断发生遗漏的可能。程序化程度提高，释放设计人员鼠标键盘操作时间，提高工作效率和准确性。
附图说明
[0023]图1是运载火箭级间分离仿真分析方法流程示意图；
[0024]图2为分离体刚体模型示意图；
[0025]图3为一级发动机后效推力设置示意图；
[0026]图4为质量参数m1的设置示意图；
[0027]图5为测量变量设置示意图；
[0028]图6为禁用公差范围设置示意图；
[0029]图7为额定情况下分离间隙结果曲线；
[0030]图8为偏差组合分析设置示例；
[0031]图9为各组合工况的仿真计算结果；
[0032]图10为各组合工况的参数公差取值。
具体实施方式
[0033]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0034]本专利技术提供一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，如图1所示，包括：
[0035](1)建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型。
[0036]三维刚体模型采用ADAMS软件构建，或者采用其他软件建模后导入ADAMS软件。
[0037](2)设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差。
[0038](3)识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系，以两个坐标系的间距为测量变量，表征危险点及对应的碰撞区域之间的间距。
[0039]所述参数包括质量、转动惯量、速度、角速度以及角加速度。两个坐标系的间距为正表明未发生碰撞，为0表明处于临界状态，为负表明发生碰撞。
[0040](4)基于各个参数的额定值计算额定分离速度。
[0041]采用现有工学算法计算额定分离速度。
[0042](5)根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，其特征在于，包括：(1)建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型；(2)设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差；(3)识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系，以两个坐标系的间距为测量变量，表征危险点及对应的碰撞区域之间的间距；(4)基于各个参数的额定值计算额定分离速度；(5)根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量；(6)判断各个组合状态下的最小测量变量是否满足分离期望值，如果均满足则完成参数额定值及上下偏差设置，否则返回步骤(2)，对不满足分离期望值时对应组合的参数额定值或上下偏差进行修改。2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，其特征在于，三维刚体模型采用ADAMS软件构建，或者采用其他软件建模后导入ADAMS软件。3.根据权利要求1或2所述的基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，其特征在于，所述参数包括质量、转...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭凤明，刘兴隆，徐应洲，刘信好，王实，朱正辉，于婷婷，
申请(专利权)人：北京天兵科技有限公司，
类型：发明
国别省市：