一种固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法

技术领域

本发明属于运载火箭总体设计技术领域，具体涉及一种固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法。

背景技术

目前，运载火箭推进动力分为固体动力和液体动力，固体发动机具备测试简单、转运方便特点，发射保障容易；液体发动机推进比冲较高、可精细化控制，易于规模化；通过固液结合手段，助推器选用固体动力、火箭芯级选用液体动力，采用固体捆绑运载火箭构型助推阶段依赖固体发动机提供大部分起飞推力，高空阶段依赖液体发动机提供入轨推力，一方面可大幅简化火箭发射保障难度，另一方面可最大程度发挥固体动力和液体动力优势。美国、欧洲、日本、印度相继发展了多型固体捆绑运载火箭，如德尔塔4、宇宙神5、火神、阿里安5/6、H-2A/2B/3、GSLV Mk3等，其中，德尔塔4芯级采用氢氧推进，宇宙神5采用液氧煤油基础级搭配氢氧上面级方案，火神采用液氧甲烷基础级搭配氢氧上面级方案，分别捆绑不同数量小型固体助推器，阿里安5/6采用氢氧基础级搭配常规或氢氧上面级方案，阿里安5捆绑两枚大型固体助推器，阿里安6捆绑2枚或4枚中型固体助推器，H-2A/2B/3芯级采用氢氧推进，捆绑2枚或4枚中型固体助推器，GSLV Mk3采用常规基础级搭配氢氧上面级方案，捆绑2枚大型固体助推器。固体捆绑运载火箭构型成为世界航天大国的主要选择方案之一。

固体助推模块通常质量较大，德尔塔4、火神助推器分别配置GEM-60总重34吨、装药量30吨，GEM-63XL总重54吨、装药量48吨，宇宙神5配置Aerojet研制的助推器总重46.7吨、装药量41吨，阿里安5助推器P241总重270吨、装药量240吨，阿里安6助推器P120 C总重155吨、装药量144吨，H-2A/B助推器SRB-A总重77吨、装药量66吨，H-3助推器SRB-3装药量67吨，GSLV Mk3助推器S200装药量200吨，各型火箭固体助推器占据全箭重量比例较高，重量挖潜对于运载能力影响相对较大。

运载火箭的飞行过程可以建模为重力场中变质量火箭在气动阻力作用下的分段加速问题，运载能力是火箭设计的最核心技术指标，在运载火箭的动力和时序确定的情况下，火箭方案调整的重要表现是火箭模块质量的小幅变化，质量变化造成运载能力相对基准方案存在小幅偏差。但是，在现有技术中，只要火箭模块质量发生变化，就需要重新计算火箭的运载能力，导致总体设计过程中运载能力的计算复杂度高且计算量大。因此，即使火箭模块质量发生小幅变化时同样存在运载能力计算复杂度高和计算量大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法，能够在给定质量偏差的情况下快速修正火箭运载能力偏差，具有简化运载能力计算复杂度、降低计算量和提升火箭设计效率的特点。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法，包括以下步骤：

给定固体捆绑运载火箭基准方案的各模块质量、推力、比冲和工作时长，计算固体捆绑运载火箭在指定目标轨道的运载能力；

计算运载能力相对各模块质量的变化率；

利用各模块质量变化和运载能力相对模块质量的变化率对运载能力进行修正。

更进一步地，在计算固体捆绑运载火箭在指定目标轨道的运载能力的步骤中，运载能力关于各模块的隐性函数为：

m

其中，E为指定目标轨道，m

更进一步地，当模块推力、时序和指定目标轨道确定的情况下，隐性函数简化为：

m

更进一步地，在计算运载能力相对各模块质量的变化率的步骤中，变化率K可表示为：

其中，ΔM

更进一步地，在利用各模块质量变化和运载能力相对模块质量的变化率对运载能力进行修正的步骤中，运载能力的变化值ΔM

更进一步地，所述固体捆绑运载火箭的芯级捆绑有固体助推器。

更进一步地，所述固体助推器的数量为2～4个。

有益效果：

本发明的固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法用于固体捆绑运载火箭的总体设计中，将固体捆绑运载火箭的运载能力表示为火箭各模块质量、推力、比冲、工作时长的隐性函数，通过数值计算获取目标运载能力相对模块质量的变化关系，并根据变化关系对运载能力进行修正，从而能够在火箭模块质量发生小幅变化时快速计算固体捆绑运载火箭的运载能力，简化了运载火箭总体设计过程中运载能力计算的工作复杂程度，简化了运载能力计算量，提升了火箭设计效率，方便定位方案设计的主要矛盾、充分挖掘运载能力潜能，具有可观的技术应用前景。

附图说明

图1为本发明的固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法的流程图；

图2为运载能力计算的原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见附图1，本发明实施例提供了一种固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法，该方法主要适用于固体捆绑运载火箭在模块质量小幅调整的情形，具体包括以下步骤：

步骤S10，给定固体捆绑运载火箭基准方案的各模块质量、推力、比冲和工作时长，计算固体捆绑运载火箭在指定目标轨道的运载能力；在一般情况下，固体捆绑运载火箭可以分为固体助推器、芯一级、芯级以及上面级四个模块；所述固体捆绑运载火箭的芯级捆绑有固体助推器，并且所述固体助推器的数量可以为2～4个，如：2个、3个或4个；在计算固体捆绑运载火箭在指定目标轨道的运载能力时，运载能力关于各模块的隐性函数可以表示为：

m

其中，E为指定目标轨道，m

当模块推力、时序和指定目标轨道确定的情况下，隐性函数可以简化为：

m

步骤S20，计算运载能力相对各模块质量的变化率；在计算运载能力相对各模块质量的变化率的步骤中，变化率可表示为：

其中，ΔM

步骤S30，利用各模块质量变化和运载能力相对模块质量的变化率对运载能力进行修正，运载能力的变化值ΔM

上述固体捆绑运载火箭运载能力的小偏差快速修正方法用于固体捆绑运载火箭的总体设计中，将固体捆绑运载火箭的运载能力表示为火箭各模块质量、推力、比冲、工作时长的隐性函数，通过数值计算获取目标运载能力相对模块质量的变化关系，并根据变化关系对运载能力进行修正，从而能够在火箭模块质量发生小幅变化时快速计算固体捆绑运载火箭的运载能力，简化了运载火箭总体设计过程中运载能力计算的工作复杂程度，简化了运载能力计算量，提升了火箭设计效率，方便定位方案设计的主要矛盾、充分挖掘运载能力潜能，具有可观的技术应用前景。

与现有固体捆绑运载火箭运载能力精确计算方法相比，本发明的运载能力小偏差快速修正方法主要适用于固体捆绑火箭在模块质量小幅调整的情形，具有计算方法简便、复杂度低且计算量小的特点，可广泛应用于运载能力快速修正过程中，对于固体捆绑运载火箭总体设计过程中的性能估计意义重大。通过上述运载能力的修正方法可最大程度地降低火箭的总体设计难度，提升火箭的设计效率，方便定位方案设计的主要矛盾、充分挖掘运载能力潜能，具有可观的技术应用前景，在固体捆绑运载火箭总体设计中可得到广泛应用。

如图2示出了运载能力快速修正的原理示意图，在对运载能力进行修正的过程中，将固体捆绑运载火箭分为固体助推器、芯一级、芯级以及上面级四个模块，其中，1代表固体助推器，2代表芯一级，3代表芯级，4代表上面级，即，ΔM

下面采用本发明的运载能力修正方法对两个具体型号火箭的运载能力进行修正。

实施例一

H-2B型运载火箭为两级半构型，芯级采用液氢液氧推进，一级配置两台LE-7发动机，二级配置一台LE-5B发动机，并捆绑四个固体助推器；在种子岛发射场发射350km、51°倾角LEO圆轨道，固体助推器质量对运载能力的修正常数K

Δm

根据上述表达式可知，固体助推器的质量每增加1t，运载能力就会减少100kg；固体助推器的质量每减少1t，运载能力就会增加100kg；芯一级的质量每增加500kg，运载能力就会减少150kg；芯一级的质量每减少500kg，运载能力就会增加150kg；上面级的质量每减少1kg，运载能力就会增加1kg；上面级的质量每增加1kg，运载能力就会减少1kg。

实施例二

阿里安5ECA型运载火箭为两级半构型，芯级采用液氢液氧推进，一级配置一台火神发动机，二级配置一台Vinci发动机，捆绑两个固体助推器。在圭亚那发射场发射250km、5°倾角LEO圆轨道，固体助推器质量对运载能力的修正常数K

Δm

根据上述表达式可知，固体助推器的质量每增加1t，运载能力就会减少130kg；固体助推器的质量每减少1t，运载能力就会增加130kg；芯一级的质量每增加100kg，运载能力就会减少11.3kg；芯一级的质量每减少100kg，运载能力就会增加11.3kg；上面级的质量每减少1kg，运载能力就会增加1kg；上面级的质量每增加1kg，运载能力就会减少1kg。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。