三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法及装置制造方法及图纸

本申请涉及一种三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法及装置。所述方法包括：利用地心角和二级关机时速度方向与当地水平线夹角计算得到一级俯仰角参数和二级俯仰角参数；将远地点的圆轨道环绕速度减去二级关机后轨道远地点速度得到速度增量，根据速度增量计算得到三级工作时间；将二级关机后无动力飞行至轨道远地点的时刻减去三级工作时间，得到三级开机时间；将二级关机点至无动力飞行轨道远地点的地心扫角与地心角相加得到三级俯仰角；根据一级俯仰角参数、二级俯仰角参数、三级开机时间、三级工作时间、三级俯仰角和发射方位角进行入轨弹道设计。采用本方法能够提高入轨弹道设计准确率。设计准确率。设计准确率。

【技术实现步骤摘要】
三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法及装置


[0001]本申请涉及数据处理
，特别是涉及一种三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法及装置。

技术介绍

[0002]三级火箭是航天发射中常用的运载火箭类型。在运载火箭系统方案设计或航天任务仿真分析中，通常需要根据任务要求，快速生成用于分析或仿真的三自由度弹道，弹道生成即在动力学建模的基础上，确定主要的弹道设计参数。通常三级火箭的第一级用于快速离开最稠密底层大气，第二级用于抬升轨道远地点，第三级用于积攒水平速度，抬高近地点。在第二级和第三级之间，有一段滑行段，用于将载荷送到预定高度附近。需要解算的参数为一级和二级俯仰角参数、三级开机时间、工作时间和俯仰角参数，以及发射方位角。由于运载火箭上升段动力学模型的复杂性，参数解算只能采用迭代计算的方式求解。航天发射动力学过程的内在特性使运载火箭的终端状态对弹道设计参数的取值非常敏感，迭代初值选取不当时，终端计算值会过于偏离目标值，无法形成正常的偏差反馈修正初值误差，即使对于一些具备全局搜索能力的智能算法，偏差过大的迭代初值，也将造成迭代收敛时间增加，或收敛到非预期的极小值点。
[0003]然而，目前的对于迭代初值的选取，采用人工经验值虽然能对特定任务实现较好的效果，但难以适应多种工况，或现实中难以出现的临界状态工况，过多依赖人工经验也制约了算法相关的软件开发，也给缺少经验的用户带来使用不便，准确率也不够高。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高入轨弹道设计准确率的三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法、装置及设备。
[0005]一种三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法，所述方法包括：获取入轨弹道设计中给定的相关参数；相关参数包括一级推进剂质量、一级发动机比冲、一级发动机推力大小、二级推进剂质量、二级发动机推力大小、二级发动机比冲、二级结构质量、三级结构质量、三级推进剂质量和二级关机时高度；根据相关参数计算得到第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度；利用第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度；根据二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道能量参数，利用二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率；利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算自由飞行弹道的远地点高度、二级关机后轨道远地点速度和远地点的圆轨道环绕速度；
根据牛顿迭代法计算自由飞行弹道的远地点高度与目标轨道高度相等时的二级关机时速度方向与当地水平线夹角；根据二级关机时的航程计算地心角，利用地心角和二级关机时速度方向与当地水平线夹角计算得到一级俯仰角参数和二级俯仰角参数；将远地点的圆轨道环绕速度减去二级关机后轨道远地点速度得到速度增量，根据速度增量计算得到三级工作时间；将二级关机后无动力飞行至轨道远地点的时刻减去三级工作时间，得到三级开机时间；根据二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率以及二级关机时的地心距计算得到二级关机点至无动力飞行轨道远地点的地心扫角；将二级关机点至无动力飞行轨道远地点的地心扫角与地心角相加得到三级俯仰角；利用三级运载火箭的入轨点速度和目标轨道倾角计算发射方位角，根据一级俯仰角参数、二级俯仰角参数、三级开机时间、三级工作时间、三级俯仰角和发射方位角进行入轨弹道设计。
[0006]在其中一个实施例中，根据相关参数计算得到第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度，包括：根据一级推进剂质量、一级发动机比冲和一级发动机推力大小计算得到第一级关机时间为；其中，表示一级推进剂质量，表示一级发动机比冲，表示一级发动机推力大小；根据第一级关机时间、二级推进剂质量、二级发动机比冲和二级发动机推力大小计算得到第二级关机时间为；其中，表示二级推进剂质量，表示二级发动机比冲，表示二级发动机推力大小；根据一级推进剂质量、一级结构质量、二级推进剂质量、二级结构质量、三级结构质量、三级推进剂质量、整流罩质量和有效载荷质量计算得到总质量为；其中，表示整流罩质量，表示有效载荷质量，表示三级结构质量，表示三级推进剂质量，表示二级结构质量，表示一级结构质量；根据平均重力加速度和二级关机时高度计算得到势能转化成动能的平均效果为；其中，表示平均重力加速度，表示二级关机时高度；根据发射点纬度和地球平均半径计算得到入轨点的牵连速度为；
其中，表示地球平均半径，表示发射点纬度，表示地球自转角速度大小。
[0007]在其中一个实施例中，利用第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度，包括：利用第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度为。
[0008]在其中一个实施例中，根据二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道能量参数；利用二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率，包括:根据二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴为；其中，表示二级关机时的地心距，表示二级关机速度，表示地球引力常数；根据二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道能量参数为；利用二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率为
[0009]其中，表示二级关机时的轨道能量参数，表示二级关机时速度方向与当地水平线夹角。
[0010]在其中一个实施例中，利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算自由飞行弹道的远地点高度、二级关机后轨道远地点速度和远地点的圆轨道环绕速度，包括：利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算自由飞行弹道的远地点高度为；其中，表示地球平均半径；利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算二级关机后轨道远地点速度为
；利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算远地点的圆轨道环绕速度为。
[0011]在其中一个实施例中，根据二级关机时的航程计算地心角，利用地心角和二级关机时速度方向与当地水平线夹角计算得到一级俯仰角参数和二级俯仰角参数，包括：根据二级关机时的航程计算地心角为；其中，表示航程，表示地球平均半径；利用地心角和二级关机时速度方向与当地水平线夹角计算得到一级俯仰角参数和二级俯仰角参数为；其中，表示二级关机时速度方向与当地水平线夹角，表示第二级关机时间。
[0012]在其中一个实施例中，根据速度增量计算得到三级工作时间，包括：根据速度增量计算得到三级工作时间为；其中，表示速度增量，为三级平均质量，表示三级发动机推力大小。
[0013]在其中一个实施例中，根据二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率以及二级关机时的地心距本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三级运载火箭带滑行段入轨弹道设计方法，其特征在于，所述方法包括：获取入轨弹道设计中给定的相关参数；所述相关参数包括一级推进剂质量、一级发动机比冲、一级发动机推力大小、二级推进剂质量、二级发动机推力大小、二级发动机比冲、二级结构质量、三级结构质量、三级推进剂质量和二级关机时高度；根据相关参数计算得到第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度；利用所述第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度；根据所述二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道能量参数，利用所述二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率；利用二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率计算自由飞行弹道的远地点高度、二级关机后轨道远地点速度和远地点的圆轨道环绕速度；根据牛顿迭代法计算所述自由飞行弹道的远地点高度与目标轨道高度相等时的二级关机时速度方向与当地水平线夹角；根据所述二级关机时的航程计算地心角，利用所述地心角和二级关机时速度方向与当地水平线夹角计算得到一级俯仰角参数和二级俯仰角参数；将所述远地点的圆轨道环绕速度减去二级关机后轨道远地点速度得到速度增量，根据所述速度增量计算得到三级工作时间；将二级关机后无动力飞行至轨道远地点的时刻减去三级工作时间，得到三级开机时间；根据二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道偏心率以及二级关机时的地心距计算得到二级关机点至无动力飞行轨道远地点的地心扫角；将所述二级关机点至无动力飞行轨道远地点的地心扫角与所述地心角相加得到三级俯仰角；利用三级运载火箭的入轨点速度和目标轨道倾角计算发射方位角，根据所述一级俯仰角参数、二级俯仰角参数、三级开机时间、三级工作时间、三级俯仰角和发射方位角进行入轨弹道设计。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据相关参数计算得到第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度，包括：根据一级推进剂质量、一级发动机比冲和一级发动机推力大小计算得到第一级关机时间为；其中，表示一级推进剂质量，表示一级发动机比冲，表示一级发动机推力大小；根据第一级关机时间、二级推进剂质量、二级发动机比冲和二级发动机推力大小计算得到第二级关机时间为
；其中，表示二级推进剂质量，表示二级发动机比冲，表示二级发动机推力大小；根据一级推进剂质量、一级结构质量、二级推进剂质量、二级结构质量、三级结构质量、三级推进剂质量、整流罩质量和有效载荷质量计算得到总质量为；其中，表示整流罩质量，表示有效载荷质量，表示三级结构质量，表示三级推进剂质量，表示二级结构质量，表示一级结构质量；根据平均重力加速度和二级关机时高度计算得到势能转化成动能的平均效果为；其中，表示平均重力加速度，表示二级关机时高度；根据发射点纬度和地球平均半径计算得到入轨点的牵连速度为；其中，表示地球平均半径，表示发射点纬度，表示地球自转角速度大小。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用所述第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度，包括：利用所述第一级关机时间、第二级关机时间、总质量、势能转化成动能的平均效果和入轨点的牵连速度计算得到二级关机速度为。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴和二级关机时的轨道能量参数；利用所述二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率，包括:根据所述二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道半长轴为；其中，表示二级关机时的地心距，表示二级关机速度，表示地球引力常数；根据所述二级关机速度和二级关机时的地心距计算得到二级关机时的轨道能量参数为
；利用所述二级关机时的轨道能量参数和二级关机时速度方向与当地水平线夹角设计二级关机时的轨道偏心率为；其中，表示二级关机时的轨道能量参数，表示二级关机时速度方向与当地水平线夹角。5.根据权利要求4所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅昌明，刘世勇，孙雪，廖明瑞，黄海兵，牛智勇，高林涛，郑文凯，周岳姣，梁武，徐维，刘灿，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：