【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于火箭弹，具体涉及一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法。
技术介绍
1、制导火箭弹具有射程远、精度高、成本低、环境适应性好等显著优势，在当代制导弹药领域的地位日益凸显。固体火箭发动机是制导火箭弹的重要组成部分，对火箭弹的飞行速度、射程能力等关键技术指标具有决定性作用。
2、在传统的火箭弹内外弹道优化设计方法中，固体火箭发动机以预估的典型工况点与指标要求为依据开展内弹道方案设计，外弹道飞行方案根据发动机的内弹道推力曲线、质量流量曲线等设计结果为输入开展外弹道优化设计。这种方法存在内弹道设计输入与真实工作情况不一致、内外弹道的参数设计不匹配等问题。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，通过建立固体火箭发动机内弹道性能与制导火箭弹飞行弹道耦合解算方程组，综合考虑发动机内弹道设计约束与飞行外弹道设计约束，选取期望的优化控制变量以及目标函数，建立内外弹道联合优化数学模型，通过粒子群算法对模型进行求解，从而实现制导火箭弹发动机的内弹道设计参数与飞行外弹道设计参数的耦合设计。本专利技术方法简单有效，架构通用，易于工程实践。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
3、步骤1：建立内外弹道耦合计算方程组；
4、所述内外弹道耦合计算方程组包括微分方程、火箭弹飞行外弹道状态方程以及发动机内弹道状态方程；
5、基于飞行力学原理与固
6、步骤2：建立内外弹道联合优化数学模型；
7、明确制导火箭弹内外弹道联合优化设计的目标函数与约束条件；将火箭弹飞行外弹道的飞行攻角离散序列与发动机内弹道的设计参数共同作为优化控制变量，以制导火箭弹最大射程作为优化目标，以落速、落角、最大飞行高度、装药结构正确性、喷管出口面积作为约束条件，建立优化数学模型；
8、步骤3：进行内外弹道解算与联合迭代优化；
9、通过求解优化数学模型，进行发动机内弹道设计参数、火箭弹飞行外弹道设计参数的迭代优化，从而获取最优的发动机内弹道设计参数与火箭弹飞行外弹道设计参数，对制导火箭弹总体方案设计提供指导。
10、进一步地，所述步骤1具体如下：
11、所述微分方程为：
12、 （1）
13、其中，为制导火箭弹质量，与分别为火箭弹在发射坐标系中的速度与弹道倾角，与分别为火箭弹质心在发射坐标系中的位置，为火箭弹飞行过程中当地弹道倾角，为火箭发动机推力，为飞行攻角，与分别为阻力系数与升力系数，为飞行动压，为参考面积，为火箭弹飞行当地重力加速度，为发动机质量流量，为装药燃烧肉厚，为装药燃烧速率；
14、所述火箭弹飞行外弹道状态方程为：
15、 （2）
16、其中，为地球平均半径，为大地圆弧长度，为火箭弹飞行海拔高度；
17、所述发动机内弹道状态方程中发动机质量流量与工作压强的关系为：
18、 （3）
19、其中为发动机装药密度，为燃烧面积，为燃烧室的工作压强，为喷管喉部面积，为装药特征速度；
20、装药燃烧速率表示为：
21、 （4）
22、其中，为装药燃速系数，为装药燃速指数，为装药最大肉厚；
23、当时，固体火箭发动机工作推力如式（5），否则推力为0；
24、 （5）
25、其中，为制导火箭弹飞行过程中的当地大气压强；为发动机的工作特征压强：
26、 （6）
27、为装药燃气比热比，为喷管出口压强，为喷管出口面积，为喷管出口的特征马赫数。
28、进一步地，所述步骤2具体为：
29、针对火箭弹飞行外弹道，以飞行攻角序列作为优化控制变量，记为；
30、针对发动机内弹道，将药柱肉厚、星角数量、角度系数、星边夹角作为优化控制变量，记为；
31、记内外弹道联合优化控制变量为；
32、针对火箭弹飞行外弹道，约束条件包括最大攻角、落角、落速、最大飞行高度；针对发动机内弹道，约束条件包括几何可行性、喷管出口面积；具体如下：
33、 （7）
34、其中，是飞行攻角约束上限，和分别为火箭弹落角约束下限与上限，与分别为火箭弹落速约束下限与上限，为火箭弹飞行高度上限，为发动机的喷管出口面积上限；
35、优化目标取为制导火箭弹的最大射程，即大地圆弧长度最大值，对应目标函数为：
36、 （8）
37、其中，为制导火箭弹落点距离发射点的大地圆弧长度；
38、联合优化数学模型描述为：
39、 （9）。
40、进一步地，所述步骤3具体为：
41、在联合迭代优化中，首先针对优化控制参数进行初始化；将优化控制参数代入内外弹道耦合计算方程组中，计算当前优化控制参数对应的发动机内弹道性能参数与火箭弹飞行外弹道性能参数；综合发动机内弹道性能参数与火箭弹飞行外弹道性能参数，判定当前优化控制参数是否满足所选用优化算法的迭代收敛准则，若满足则输出设计结果，若不满足则根据所选用优化算法迭代方法，生成新的优化控制参数进行迭代计算；
42、通过对联合优化数学模型的求解，获取在给定约束条件下最优的发动机内弹道设计参数与火箭弹飞行外弹道设计参数；
43、进一步地，所述优化算法为高斯伪谱法或粒子群算法。
44、本专利技术的有益效果如下：
45、本专利技术能够在制导火箭弹内弹道约束与外弹道约束等多种约束条件下快速收敛迭代，获得最优的外弹道设计参数与发动机内弹道设计参数，本专利技术方法简单有效，易于工程实践。
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1.一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
4.根据权利要求3所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
5.根据权利要求4所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，所述优化算法为高斯伪谱法或粒子群算法。
【技术特征摘要】
1.一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种采用耦合迭代优化的制导火箭弹内外弹道联合设计方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘钧圣，刘贻鑫，牛智奇，李昊，李琪，裴培，杨云刚，苗劲松，邓海鹏，郭国强，伏开心，张浩博，宋宇航，李鹏，
申请(专利权)人：西安现代控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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