一种基于统计分析的两级入轨空天飞行器质量估算方法技术

一种基于统计分析的两级入轨空天飞行器质量估算方法，通过引入质量估算方法，可以在空天飞行器概念设计之初，输入条件较少的情况下，快速估算两级飞行器起飞总质量、结构质量与燃料质量，从而进一步估算出飞行器的尺寸规模，作为其他分系统的必要输入参数，为空天飞行器的总体设计提供参考。通过对现有火箭动力飞行器与吸气式动力飞行器的起飞总质量与结构质量进行统计，分别拟合出火箭动力飞行器结构质量与起飞总质量的函数关系和吸气式动力飞行器结构质量与起飞总质量的函数关系，结合燃料质量与起飞总质量的函数关系，即可得到两级飞行器起飞总质量、结构质量与燃料质量。结构质量与燃料质量。结构质量与燃料质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于统计分析的两级入轨空天飞行器质量估算方法


[0001]本申请涉及空天飞行器的
，特别是一种基于统计分析的两级入轨空天飞行器质量估算方法。

技术介绍

[0002]空天飞行器是国家未来发展可重复使用天地往返运载器的重要研发目标，其潜在的巨大经济效益和军事应用前景，正激励着国内外航空航天强国进行不懈探索。空天飞行器与一次性火箭等航天运载器不同，可以在完成任务、返场检修重新加注燃料之后多次重复使用，大大降低发射成本。空天飞行器灵活、机动和快速反应的特点，兼具航天运输与空间作战功能。利用空天飞行器可靠、及时、便捷地进入空间和利用空间，是实现按需快速补充军事太空能力的重要途径，也是确保空间优势的先进武器。同时，空天飞行器的研发能够带动航空业大型超声速客机的发展，促使其从现在的高亚声速和低超声速时代跃入高超声速时代。
[0003]在空天飞行器研究领域，国内研究机构提出了不同的发展思路和研究计划，其中包括火箭顶推式垂直起飞两级入轨、三级入轨、组合动力水平起降两级入轨等。但当前上述入轨空天飞行器设计仍存在重大技术障碍，现有技术方案不成熟，完整的优化设计方法还未提出。

技术实现思路

[0004]本申请提供一种基于统计分析的两级入轨空天飞行器质量估算方法，本专利技术旨在对国内外相关研究的调研基础上，采用统计分析方法，建立一种水平起降两级入轨空天飞行器质量快速估算方法，为两级入轨空天飞行器概念设计提供参考。
[0005]第一方面，提供了一种飞行器设计方法，包括：
[0006]通过拟合得到第一飞行器的结构质量与起飞总质量的第一函数关系，以及第二飞行器的结构质量与起飞总质量的第二函数关系，所述第一飞行器的负载质量包括所述第二飞行器的起飞总质量；
[0007]根据所述第一函数关系，以及所述第一飞行器的运动方程，确定所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量；
[0008]根据所述第二函数关系，以及所述第二飞行器的运动方程，确定所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量。
[0009]与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：
[0010]相对于其他已知的质量估算方法，本专利技术的特点是不需要输入飞行器的外形尺寸参数、结构材料特性参数等，因此具有简便、高效的特点；同时由于结构质量采用统计分析方法获得，可更好表达飞行器结构设计技术与材料科学技术的发展现状，结构质量系数合理性、代表性更高，估算结果的可信度也更高。对于下面级飞行器采用吸气式动力，上面级飞行器采用火箭动力的两级入轨空天飞行器来说，由于当前并没有成熟的两级入轨空天飞
行器可供借鉴，因此将空天飞行器的概念设计建立在已有火箭动力飞行器与吸气式动力飞行器的基础上是十分必要的，本专利技术提出的质量估算方法中结构质量是对已有的火箭动力飞行器与吸气式动力飞行器分别进行统计分析，得到能够体现飞行器结构设计技术和材料科学技术的结构质量占比，质量估算结果是两级入轨空天飞行器总体设计的必要输入，对空天飞行器概念设计工作具有重要意义。
[0011]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法还包括：
[0012]根据所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量，设计所述第一飞行器的几何形状；
[0013]根据所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量，设计所述第二飞行器的几何形状。
[0014]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法应用于吸气式组合动力的两级入轨空天飞行器设计，所述第一飞行器为下面级飞行器，所述第二飞行器为上面级飞行器，所述第一函数关系满足：m
structural
‑1＝Fun(m
takeoff
‑1)，所述第二函数关系满足：m
structural
‑2＝Fun(m
takeoff
‑2)，m
takeoff
‑1表示下面级飞行器的起飞总质量，m
structural
‑1为下面级飞行器的结构质量，m
takeoff
‑2表示上面级飞行器的起飞总质量，m
structural
‑2为上面级飞行器的结构质量。
[0015]估算吸气式动力下面级飞行器，火箭动力上面级飞行器的两级入轨空天飞行器起飞总质量、结构质量和燃料质量，应用于基于吸气式组合动力的水平起降两级入轨空天飞行器概念设计阶段，为空天飞行器总体设计提供参考。
[0016]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一飞行器的运动方程满足：η0为下面级飞行器发动机的热效率，h
PR
为燃料热值，F为推力，D为阻力，m
fuel
‑1为下面级飞行器的燃料质量，H
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的高度，H0为下面级飞行器的起飞高度，V
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的速度，g为重力加速度，V0为下面级飞行器的起飞速度。
[0017]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二飞行器的运动方程满足：I
sp
为比冲，m
fuel
‑2为上面级飞行器的燃料质量，V
orbit
为入轨速度，V
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的速度，g为重力加速度。
[0018]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量满足：m
takeoff
‑1＝m
fuel
‑1+m
structural
‑1+m
takeoff
‑2，所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量满足：m
takeoff
‑2＝m
fuel
‑2+m
structural
‑2+m
payload
，m
payload
为有效载荷质量。
[0019]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述方法应用于火箭顶推式垂直起飞两级入轨场景或三级入轨场景，所述方法还包括：
[0020]通过拟合得到第三飞行器的结构质量与起飞总质量的第三函数关系，其中，所述第一飞行器的负载质量包括所述第二飞行器的起飞总质量和所述第三飞行器的起飞总质量，所述第二飞行器的负载质量包括所述第三飞行器的起飞总质量；
[0021]估算火箭顶推式垂直起飞两级入轨、三级入轨等场景中各个飞行器的起飞总质量、结构质量和燃料质量，应用于空天飞行器概念设计阶段，为空天飞行器总体设计提供参考。
[0022]根据所述第三函数关系，以及所述第三飞行器的运动方程，确定所述第三飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量。
[0023]结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第一飞行器、所述第二飞行器和所述第三飞行器的结构质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器设计方法，其特征在于，包括：通过拟合得到第一飞行器的结构质量与起飞总质量的第一函数关系，以及第二飞行器的结构质量与起飞总质量的第二函数关系，所述第一飞行器的负载质量包括所述第二飞行器的起飞总质量；根据所述第一函数关系，以及所述第一飞行器的运动方程，确定所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量；根据所述第二函数关系，以及所述第二飞行器的运动方程，确定所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量，设计所述第一飞行器的几何形状；根据所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量，设计所述第二飞行器的几何形状。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于吸气式组合动力的两级入轨空天飞行器设计，所述第一飞行器为下面级飞行器，所述第二飞行器为上面级飞行器，所述第一函数关系满足：m
structural
‑1＝Fun(m
takeoff
‑1)，所述第二函数关系满足：m
structural
‑2＝Fun(m
takeoff
‑2)，m
takeoff
‑1表示下面级飞行器的起飞总质量，m
structural
‑1为下面级飞行器的结构质量，m
takeoff
‑2表示上面级飞行器的起飞总质量，m
structural
‑2为上面级飞行器的结构质量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一飞行器的运动方程满足：η0为下面级飞行器发动机的热效率，h
PR
为燃料热值，F为推力，D为阻力，m
fuel
‑1为下面级飞行器的燃料质量，H
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的高度，H0为下面级飞行器的起飞高度，V
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的速度，g为重力加速度，V0为下面级飞行器的起飞速度。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二飞行器的运动方程满足：I
sp
为比冲，m
fuel
‑2为上面级飞行器的燃料质量，V
orbit
为入轨速度，V
separation
为上面级飞行器与下面级飞行器分离时的速度，g为重力加速度。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量满足：m
takeoff
‑1＝m
fuel
‑1+m
structural
‑1+m
takeoff
‑2，所述第二飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量满足：m
takeoff
‑2＝m
fuel
‑2+m
structural
‑2+m
payload
，m
payload
为有效载荷质量。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用于火箭顶推式垂直起飞两级入轨场景或三级入轨场景，所述方法还包括：通过拟合得到第三飞行器的结构质量与起飞总质量的第三函数关系，其中，所述第一
飞行器的负载质量包括所述第二飞行器的起飞总质量和所述第三飞行器的起飞总质量，所述第二飞行器的负载质量包括所述第三飞行器的起飞总质量；根据所述第三函数关系，以及所述第三飞行器的运动方程，确定所述第三飞行器的起飞总质量、结构质量、燃料质量。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一飞行器、所述第二飞行器和所述第三飞行器的结构质量与起飞总质量的函数关系分别满足：m
structural
‑
a
＝Fun(m
takeoff
‑
a
)，m
structural
‑
b
＝Fun(m
takeoff
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁伟，陈兰，薛飞，王誉超，董垒，胡静，蒋增辉，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：