一种空天飞行器质量估算方法

技术领域

本申请属于单级入轨空天飞行器总体设计领域，特别涉及一种空天飞行器质量估算方法。

背景技术

单级入轨空天飞行器是一种用于向轨道空间投送入轨载荷的可重复使用天地往返飞行器。目前，国内外尚缺乏对适合于单级入轨飞行器的概念设计方法的研究，更没有一个现实的单级入轨飞行器供参考。针对单级入轨空天飞行器方案的研究工作主要集中于全系统的规模评估及气动布局选择等方面。在飞行器质量评估研究方面，已开展的研究工作主要分为两类：一类是通过飞行器总体参数的统计数据，利用回归分析方法获得飞行器尺寸和质量间的关系，该类研究着重于质量评估，并未考虑飞行器是否具备实际的入轨能力；另一类则是通过能量守恒关系，在一定载荷需求下根据假定的结构质量系数分析推进剂消耗率，从而分析飞行器质量规模。现有技术对于单级入轨空天飞行器起飞总重影响因素分析困难，且周期比较长，难以满足快速论证的需要。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种空天飞行器质量估算方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种空天飞行器质量估算方法，包括：

步骤一、获取飞行器加速过程的一般方程；

步骤二、根据所述飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型；

步骤三、根据所述飞行器加速过程的一般方程以及所述火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型；

步骤四、根据所述火箭推进模态的质量比估算模型以及所述吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型。

在本申请的至少一个实施例中，步骤一中，所述获取飞行器加速过程的一般方程包括：

建立一般飞行器的加速度与推进剂消耗率之间的一般关系式，其中，沿飞行速度方向应用牛顿第二定律，并采用发动机比冲表示推力：

定义有效比冲为：

I

得到飞行器加速过程的一般方程为：

式中，m为飞行器质量，V为飞行器速度，I

在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述根据所述飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型包括：

由于火箭推进模态下飞行器推阻比大，认为有效比冲I

式中，ΔV

其中，

ΔV

μ

式中，ΔV

通过第i模态的平均速度V

V

式中，ΔH为高度增量；

将重力损失ΔV

式中，V

在本申请的至少一个实施例中，将所述火箭推进模态的质量比估算模型写作以下形式：

其中，

ΔV

式中，ΔV

在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，所述根据所述飞行器加速过程的一般方程以及所述火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型包括：

由于吸气式推进模态下飞行器推阻比较小，阻力损失不能忽略，且发动机比冲I

式中，TV为发动机的功率；

将发动机的功率TV代入第二变换方程，并假定推阻比为常数，积分得到吸气式推进模态的质量比估算模型为：

式中，η为发动机的热效率，q为燃料热值。

在本申请的至少一个实施例中，将所述吸气式推进模态的质量比估算模型写作以下形式：

其中，

ΔV

式中，ΔV

在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，根据所述火箭推进模态的质量比估算模型以及所述吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型包括：

根据所述火箭推进模态的质量比估算模型以及所述吸气式推进模态的质量比估算模型确定任务剖面后各模态的质量比μ

单级入轨空天飞行器推进的全部模态总质量比μ

定义结构质量分数σ

对给定的任务载荷m

则单级入轨空天飞行器的质量估算模型为：

式中，m

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的空天飞行器质量估算方法，完成了单级入轨空天飞行器总质量的估算，可以快速获取动力模态转换点、飞行器结构质量分数、入轨载荷与飞行器总质量之间规律，提高了方案收敛的速度。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的单级入轨空天飞行器的初步任务剖面示意图；

图2是本申请一个实施方式的吸气式推进和火箭动力模式情况下入轨载荷质量与飞行器总质量之间的变化规律示意图；

图3是本申请一个实施方式的飞行器结构质量分数与飞行器总质量之间的变化规律示意图；

图4是本申请一个实施方式的吸气式动力模态和火箭动力模态转换时飞行马赫数与飞行器总质量之间的变化规律示意图；

图5是本申请一个实施方式的吸气式动力模态和火箭动力模态转换时飞行高度与飞行器总质量之间的变化规律示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图5对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种空天飞行器质量估算方法，包括以下步骤：

S001、获取飞行器加速过程的一般方程；

S002、根据飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型；

S003、根据飞行器加速过程的一般方程以及火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型；

S004、根据火箭推进模态的质量比估算模型以及吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型。

单级入轨空天飞行器的任务剖面中每个飞行节点的速度和高度为(V

定义节点(V

首先，S001、获取飞行器加速过程的一般方程包括：

建立一般飞行器的加速度与推进剂消耗率之间的一般关系式，其中，沿飞行速度方向应用牛顿第二定律，并采用发动机比冲表示推力：

定义有效比冲为：

I

得到飞行器加速过程的一般方程为：

式中，m为飞行器质量，V为飞行器速度，I

相比于发动机比冲，考虑飞行阻力损失的有效比冲更能体现飞行器整体的加速性能，飞行器的推阻比T/D越大，有效比冲越接近发动机比冲。

S002、根据飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型包括：

由于火箭推进模态下飞行器推阻比大，认为有效比冲I

式中，ΔV

其中，

ΔV

μ

式中，ΔV

由于考虑了较多的飞行阶段且涉及较大高度范围变化，通过第i模态的平均速度V

V

式中，ΔH为高度增量；

将重力损失ΔV

式中，V

进一步，S003、根据飞行器加速过程的一般方程以及火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型包括：

由于吸气式推进模态下飞行器推阻比较小，阻力损失不能忽略，且发动机比冲I

式中，TV为发动机的功率；

将发动机的功率TV代入第二变换方程(将公式(7)代入公式(6))，并假定推阻比为常数，积分得到吸气式推进模态的质量比估算模型为：

式中，η为发动机的热效率，q为燃料热值。

有利的是，火箭推进模态的质量比估算模型(公式(5))以及吸气式推进模态的质量比估算模型(公式(8))可最终写作统一形式：

其中，第i模态的重力损失ΔV

ΔV

反映飞行器加速性能的是平均有效比冲

对于火箭推进模态，平均有效比冲

对于吸气式推进模态，平均有效比冲

最后，S004、根据火箭推进模态的质量比估算模型以及吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型包括：

根据火箭推进模态的质量比估算模型(公式(5))以及吸气式推进模态的质量比估算模型(公式(8))确定任务剖面后各模态的质量比μ

从而可求出单级入轨空天飞行器推进的全部模态总质量比μ

定义结构质量分数σ

对给定的任务载荷m

则单级入轨空天飞行器的质量估算模型为：

式中，m

再结合各模态的质量比μ

本申请的空天飞行器质量估算方法，根据飞行器爬升过程动力学方程推导出飞行器质量与飞行速度、爬升角、发动机比冲等参数之间的关系式；并根据速度增量、高度增量、推阻比、质量加速度和比冲等参数计算出各动力模态时的质量比，火箭动力模态的质量比计算公式为公式(5)，吸气式动力模态的质量比计算公式为公式(8)；获取飞行器推进的全部模态总质量比，并根据已发展的单级入轨飞行方案，查询给出飞行器结构质量分数，在获得总质量比μ

本申请能够根据需要对动力模态转换点、飞行器结构质量分数、入轨载荷等参数进行拉偏，快速计算得到动力模态转换点、飞行器结构质量分数、入轨载荷与飞行器总质量之间规律。

在本申请的优选实施例中，图2给出了动力模态转换点为高度26千米、飞行速度5马赫，飞行器结构质量分数为0.19时，吸气式推进和火箭动力模式情况下入轨载荷质量与飞行器总质量之间的变化规律。图3给出了入轨载荷为3000千克，动力模态动力模态转换点为高度26千米，行速度5马赫时，飞行器结构质量分数与飞行器总质量之间的变化规律。图4给出了入轨载荷为3000千克，动力模态转换飞行高度26千米，飞行速度5马赫，飞行器结构质量分数为0.19时，吸气式动力模态和火箭动力模态转换时飞行马赫数与飞行器总质量之间的变化规律。图5给出了入轨载荷为3000千克，飞行器结构质量分数为0.19，吸气式动力模态和火箭动力模态转换飞行速度5马赫时，吸气式动力模态和火箭动力模态转换时飞行高度与飞行器总质量之间的变化规律。从实施效果上可以得到：单级入轨飞行器起飞总质量m

本申请的空天飞行器质量估算方法，针对单级入轨空天飞行器，考虑了发动机不同模态时的比冲变化和不同飞行阶段的推阻特性差异，完成了单级入轨空天飞行器总质量的快速估算，并给出主要参数的敏感性分析。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。