一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统

技术领域

本发明涉及液体火箭技术领域，更具体地，涉及一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统。

背景技术

现代火箭通常需要携带大量的液体燃料以完成长期、复杂的飞行任务。火箭在进行发射升空、姿态机动、交会对接和悬停避障的过程中，箭体受到发动机变化的推力、飞行中遇到的风切变、阵风及控制系统指令引起的运动，可能会使液体燃料发生剧烈的晃动，由此产生的附加晃动力和力矩会对火箭造成诸多不稳定性，甚至导致火箭姿态的失控或贮箱结构的损坏。因此，针对火箭中液体燃料大幅晃动的研究是十分必要的。

现有技术CN113553661B提供了一种获取火箭推进剂晃动参数的方法及计算机可读存储介质，对火箭贮箱中推进剂的液体晃动进行仿真计算，对晃动力时域数据、晃动力矩时域数据及n阶晃动频率进行对应晃动方程的建立及曲线拟合匹配，得到推进剂的n阶晃动质量的质心位置，晃动参数获取精度较高、进而影响火箭的精准控制等技术问题，但火箭中液体燃料晃动影响的分离计算涉及到多个方面的协同影响，并且在火箭运动过程中，还需要考虑复杂的流固耦合问题和冲击非定常问题。尤其对于重型火箭，剩余液体燃料产生的液体晃动对级间分离姿态的影响是不可忽略的，其将直接影响分离方案设计、姿控系统设计以及贮箱防晃结构的设计精度。

因此，亟需提供一种能够高效计算且计算精度较高的基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法，建立液体火箭发射的惯性坐标系、液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系；

根据惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系，分别获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程；

根据惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，分别获得液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，姿态角包括俯仰角

根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

获得级间分离间隙为L

优选的，惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程，以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，进一步为，惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程为：

其中，M是液体火箭不包含液体的质量，V是液体火箭质心在惯性坐标系的速度，t是飞行时间，P是液体火箭所受的推力，F是液体晃动的力，g是重力加速度；

箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程为：

其中，I是液体火箭不包含液体的转动惯量，Ω是箭体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，T是液体火箭受到的力矩。

优选的，俯仰角

优选的，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

L

其中，X

液体火箭芯二级质心偏离液体火箭芯一级轴线的位移L

其中，H

喷管外沿至喷管中心线的距离L

L

其中，X

优选的，惯性坐标系的原点O定义在发射点处，Y轴方向为沿发射点重力反方向指向地表外的方向，X轴方向与Y轴方向垂直并指向发射方向，Z轴方向根据右手螺旋定则确定。

优选的，箭体坐标系的原点O

优选的，贮箱的坐标系的原点O

优选的，喷管中心线为喷管中心且与液体火箭芯一级轴线相平行的线，其中，喷管中心为液体火箭芯二级轴线与喷管底面所在平面相交的点；喷管外沿为液体火箭芯二级的发动机喷管上易与级间段套筒发生碰撞的点，级间分离间隙为喷管外沿到级间段套筒的距离。

优选的，液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角建立在液体火箭芯一级坐标系中；液体火箭芯一级坐标系的原点O

本发明还提供了一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算系统，液体火箭基本参数获得模块，对液体火箭以及液体的各项参数进行赋值；

液体火箭级间分离时刻初值获得模块，计算液体火箭级间分离的位移、姿态、速度和角速度的初值；

坐标系建立与转换模块，建立液体火箭发射的惯性坐标系、液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系，对惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系进行转换；

数据初始化模块，根据惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系，分别获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程，以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程；

数据处理模块，根据惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程，以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，分别获得液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，姿态角包括俯仰角

数据生成模块，根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移与姿态，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

结果输出，对级间分离间隙L

与现有技术相比，本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统，至少实现了如下的有益效果：

本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统，通过建立液体火箭发射的惯性坐标系用于描述液体火箭在惯性空间中的运动，建立液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系用于描述液体火箭受到的力和力矩，由此可获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，从而根据动力学方程获得液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，最后根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法流程图；

图2是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的液体火箭示意图；

图3是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的液体火箭几何关系示意图；

图4是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的液体晃动所受法向力和摩擦力示意图；

图5是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的坐标系的建立方法示意图；

图6是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算系统框图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

请参考图1至图5，图1是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法流程图，图2是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的液体火箭示意图，图3是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的火箭几何关系示意图，图4是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的液体晃动所受法向力和摩擦力示意图，图5是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法的坐标系的建立方法示意图，本实施例中，一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法，包括：

S1、建立液体火箭发射的惯性坐标系、液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系；

S2、根据惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系，分别获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程；

S3、根据惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，分别获得液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，姿态角包括俯仰角

S4、根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

S5、获得级间分离间隙为L

本实施例中液体火箭的级间分离间隙针对的是液体火箭芯一级和芯二级，由于在运动分离的过程中芯一级和芯二级各自的受力不同，本实施例中假设分离过程中火箭芯一级受力为推力、液体晃动的力以及重力，芯二级的受力为重力，由于芯一级和芯二级的受力不同，因此会产生不同变化的位移和姿态。

具体地，本实施例中所提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法，包括：

S1、液体火箭发射的惯性坐标系、液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系的建立方法具体为：

S101、建立液体火箭发射的惯性坐标系，其中惯性坐标系的原点O定义在发射点处，Y轴方向为沿发射点重力反方向指向地表外的方向，X轴方向与Y轴方向垂直并指向发射方向，Z轴方向根据右手螺旋定则确定，根据液体火箭的实时推力、箭体质量、飞行高度、速度状态等参数，在惯性坐标系下获得液体火箭在惯性空间中的运动轨迹；

S102、建立液体火箭的箭体坐标系，其中箭体坐标系的原点O

S103、建立液体火箭中贮箱的坐标系，贮箱包括燃料贮箱和氧化剂贮箱，其中贮箱的坐标系的原点O

S2、根据上述步骤S101、S102和S103获取的惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系，分别获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，具体为：

S201、惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程为：

其中，M是液体火箭不包含液体的质量，V是液体火箭质心在惯性坐标系的速度，t是飞行时间，P是液体火箭所受的推力，F是液体晃动的力，g是重力加速度；

S202、箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程为：

其中，I是液体火箭不包含液体的转动惯量，Ω是箭体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，T是液体火箭受到的力矩。

需要说明的是，步骤S201和S202中对惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程的建立不分先后。且惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程中液体火箭的质量和转动惯量是不包括液体部分的对应数值。

S3、根据上述步骤S201和S202中获得的惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，分别计算得到液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，姿态角包括俯仰角

S301、建立液体火箭芯一级坐标系，液体火箭芯一级坐标系的原点O

S302、在上述步骤S301中获得的液体火箭芯一级坐标系下，并根据步骤S201获得液体火箭质心在惯性坐标系的速度V计算得到液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H；

S303、在上述步骤S301中获得的液体火箭芯一级坐标系下，并根据步骤S202获得箭体坐标系相对于惯性坐标系的角速度Ω，计算得到液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的运载液体火箭纵轴O

S304、沿芯一级轴线方向的单位向量为n

S4、根据上述步骤S301、S302、S303和S304中得到的液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，分别计算液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

S401、液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

L

其中，X

S402、液体火箭芯二级质心偏离液体火箭芯一级轴线的位移L

其中，H

S403、喷管外沿至喷管中心线的距离L

L

其中，X

需要说明的是，步骤S401、S402和S403中对L

S5、获得级间分离间隙为L

需要说明的是，级间分离间隙为喷管外沿到级间段套筒的距离。

以上对本发明的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法进行了阐述，在一些可选实施例中，请参考图6，图6是本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算系统框图，本实施例的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算系统，包括：

液体火箭基本参数获得模块10，用于对液体火箭的实时推力、箭体质量、飞行高度、速度状态以及液体的各项参数进行赋值；

液体火箭级间分离时刻初值获得模块20，通过液体火箭基本参数获得模块10中的各项参数计算液体火箭级间分离的位移、姿态、速度和角速度的初值；

坐标系建立与转换模块30，包括坐标系建立模块301，用于建立液体火箭发射的惯性坐标系、液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系；坐标系转换模块302，用于确定惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系之间的转换矩阵A，并对惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系进行转换；

转换矩阵A具体为：

其中，

坐标系建立模块301，包括以下功能：

建立惯性坐标系，惯性坐标系的原点O定义在发射点处，Y轴方向为沿发射点重力反方向指向地表外的方向，X轴方向与Y轴方向垂直并指向发射方向，Z轴方向根据右手螺旋定则确定，根据液体火箭的实时推力、箭体质量、飞行高度、速度状态等参数，在惯性坐标系下获得液体火箭在惯性空间中的运动轨迹。

建立箭体坐标系，箭体坐标系的原点O

建立贮箱的坐标系，贮箱包括燃料贮箱和氧化剂贮箱，贮箱的坐标系的原点O

建立液体火箭芯一级坐标系，液体火箭芯一级坐标系的原点O

数据初始化模块40，根据坐标系建立与转换模块30中转换完成后的惯性坐标系、箭体坐标系和贮箱的坐标系，分别获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程，以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程；

惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程为：

其中，M是液体火箭不包含液体的质量，V是液体火箭质心在惯性坐标系的速度，t是飞行时间，P是液体火箭所受的推力，F是液体晃动的力，g是重力加速度；

箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程为：

其中，I是液体火箭不包含液体的转动惯量，Ω是箭体坐标系相对于惯性坐标系的角速度，T是液体火箭受到的力矩。

需要说明的是，惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程中液体火箭的质量和转动惯量是不包括液体部分的对应数值。

数据处理模块50，包括位移获得模块501、姿态角获得模块502以及二面角获得模块503；位移获得模块501，包括以下功能：在坐标系建立与转换模块30中建立的液体火箭芯一级坐标系下，并根据数据初始化模块40中的惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程获得液体火箭质心在惯性坐标系的速度V计算得到液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H；姿态角获得模块502，包括以下功能：在坐标系建立与转换模块30中建立的液体火箭芯一级坐标系下，并根据箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程获得箭体坐标系相对于惯性坐标系的角速度Ω计算得到液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的运载液体火箭纵轴O

数据生成模块60，根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

L

其中，X

液体火箭芯二级质心偏离液体火箭芯一级轴线的位移L

其中，H

喷管外沿至喷管中心线的距离L

L

其中，X

获得级间分离间隙为L

需要说明的是，喷管中心线为喷管中心且与液体火箭芯一级轴线相平行的线，其中，喷管中心为液体火箭芯二级轴线与喷管底面所在平面相交的点；喷管外沿为液体火箭芯二级的发动机喷管上易与级间段套筒发生碰撞的点，级间分离间隙为喷管外沿到级间段套筒的距离。

结果输出70，对数据生成模块60中获得的级间分离间隙L

需要说明的是，对级间分离间隙L

通过上述实施例可知，本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统，至少实现了如下的有益效果：

本发明提供的一种基于液体火箭的级间分离间隙的计算方法和系统，通过建立液体火箭发射的惯性坐标系用于描述液体火箭在惯性空间中的运动，建立液体火箭的箭体坐标系以及液体火箭中贮箱的坐标系用于描述液体火箭受到的力和力矩，由此可获得惯性坐标系中液体火箭质心运动的动力学方程、以及箭体坐标系中液体火箭绕质心转动的动力学方程，从而根据动力学方程获得液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，最后根据液体火箭芯一级和液体火箭芯二级的位移H与姿态角，获得液体火箭芯二级质心偏离喷管中心线的位移L

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。