一种运载火箭飞行静载荷校核方法技术

本发明专利技术涉及一种运载火箭飞行静载荷校核方法，包括：对影响运载火箭飞行载荷的因素进行分析，确定总体参数偏差项和偏差范围；采用蒙特卡洛方法，对各个偏差量生成随机数；建立包含六个动力运动微分方程的弹道六自由度仿真模型，对弹道进行六自由度仿真；对所得弹道进行筛选，选出载荷计算工况；利用达朗贝尔原理，求解各个载荷计算工况下火箭各截面上的校核静载荷；采用等效轴力的方法判断校核静载荷计算结果与初始设计飞行静载荷计算结果的差别，对初始设计飞行静载荷计算结果进行校核。本发明专利技术提出一种运载火箭飞行静载荷校核方法，得到的飞行静载荷影响因素考虑更为全面，满足飞行载荷设计工况的同时性和覆盖性要求。飞行载荷设计工况的同时性和覆盖性要求。飞行载荷设计工况的同时性和覆盖性要求。

【技术实现步骤摘要】
一种运载火箭飞行静载荷校核方法


[0001]本专利技术属于运载火箭总体
，具体涉及一种运载火箭飞行静载荷校核方法。

技术介绍

[0002]载荷设计是飞行器研制的基础工作之一，其主要目的是通过对飞行器任务剖面的分析，选取载荷工况，进行载荷计算，为飞行器结构设计和各部段的强度和稳定性计算提供依据。一般情况下，飞行器结构设计主要是依据飞行时所需的载荷进行的，其他工况载荷可用来对结构强度进行检查、校对。在整个飞行过程中，除了点火起飞、级间分离、发动机开关机以及跨声速飞行等几个短时间的状态段以外，大部分的时间段都可以将箭体所受载荷作为静载荷来计算。因此飞行静载荷计算是载荷分析的基本和主要任务。针对给定工况，静载荷计算的方法比较统一，通常参照行业的运载火箭载荷设计标准进行，但是静载荷设计不仅需要进行载荷计算，而且需要挑选出最大载荷工况，作为火箭的结构设计和各部段的强度分析的重要依据，静载荷计算在火箭设计之初就需要进行，而在此阶段中，由于缺少箭体弹性系数等参数，用于飞行载荷工况选取的弹道参数通常为标准弹道考虑风干扰后基于刚体运动方程简化计算得到。此方法对于飞行中影响运载火箭载荷的因素考虑不够全面。因此，如何将飞行中影响运载火箭载荷的因素考虑周全并对静载荷进行校核，需要解决。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对火箭方案设计的初步设计阶段的飞行静载荷计算结果，提出一种基于六自由度仿真弹道的运载火箭飞行静载荷校核方案，包括拉偏条件制定，六自由度仿真，载荷工况选取，载荷计算，校核初始设计飞行载荷计算结果等。r/>[0004]本专利技术提供的一种运载火箭飞行静载荷校核方法，包括如下步骤：
[0005]对影响运载火箭飞行载荷的因素进行分析，确定总体参数偏差项和偏差范围；
[0006]采用蒙特卡洛方法，考虑不同总体参数的概率偏差分布，对各个偏差量生成随机数，考虑运动过程中火箭所受的各种力和力矩，建立包含六个动力运动微分方程的弹道六自由度仿真模型，对弹道进行六自由度仿真；
[0007]对六自由度仿真所得弹道进行筛选，去除偏差量超出设定偏差范围的弹道，根据筛选后的弹道选出载荷计算工况，所述载荷计算工况包括动压与总攻角乘积最大点、侧向过载最大点、动压最大点以及轴向过载最大点；
[0008]根据挑选出的载荷计算工况的质量分站数据和分布气动载荷数据，采用一般力学的方法，利用达朗贝尔原理，求解各个载荷计算工况下火箭各截面上的校核静载荷；
[0009]将所述校核静载荷计算结果与初始设计飞行载荷计算结果进行对比分析，采用等效轴力的方法来判断所述校核静载荷计算结果与初始设计飞行静载荷计算结果的差别，从而对初始设计飞行载荷计算结果进行校核。
[0010]进一步地，所述箭体各截面校核静载荷包括轴力、剪力、弯矩，所述校核载荷计算
方法为：根据火箭各个部段的质量和质心特征将火箭聚缩为等效的多个质点，对火箭进行分站，从而将火箭离散化为由有限个不同质量的质点构成的一根单梁，各质点称为离散化后的站点，将箭体上的气动力、惯性力分配到各站点，从火箭头部的顶点开始逐站点计算各截面轴力、剪力、弯矩，当前站点截面轴力为该站点截面之前各站点的轴向力累加值，当前站点截面剪力为该站点截面之前各站点的法向力累加值，当前站点截面弯矩为该站点截面之前各站点对该站点截面产生弯矩即法向力与距离的乘积的累加值；
[0011]火箭飞行过程中由气动力产生的剪力、弯矩可按下列公式计算，
[0012][0013][0014][0015][0016]式中，Q
yn
、Q
zn
表示气动力产生的y向和z向剪力
[0017]M
yn
、M
zn
表示气动力产生的y向和z向弯矩
[0018]q表示飞行动压
[0019]s表示气动参考面积
[0020]CN
i
、CZ
i
、CA
i
表示法向、横向、轴向的气动力系数
[0021]CN、CZ、CA表示法向、横向、轴向的气动力系数总和
[0022]x
T
、x
y
表示火箭质心和气动力压力中心
[0023]Jy、Jz表示火箭纵向和横向的转动惯量
[0024]i代表站点序号，取值为1到n的自然数
[0025]mi和xi表示每个分站站点的质量和位置
[0026]M是全箭总质量
[0027]xy和xz分别表示y和z向气动压心。
[0028]进一步地，所述火箭飞行过程中箭体操纵力在箭体引起的剪力、弯矩可按下列公式计算，
[0029][0030][0031][0032][0033]式中，Qyn
′
、Qzn
′
表示操纵力产生的y向和z向剪力
[0034]Myn
′
、Mzn
′
表示操纵力产生的y向和z向弯矩
[0035]Rc表示操纵力
[0036]x
R
表示操纵力作用位置
[0037]Q
y(i
‑
1)
是y向第i
‑
1个截面的剪力。
[0038]进一步地，所述全箭各载荷计算截面的y向和z向剪力和弯矩可按下式进行载荷合成。
[0039][0040][0041]火箭飞行过程中的轴力可按下列公式计算，
[0042][0043]N
x
＝(P+CAqs)/Mg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0044]式中，T
n
表示火箭轴力
[0045]P表示发动机推力
[0046]CAi表示轴向的气动力系数
[0047]CA表示轴向的气动力系数总和
[0048]x
f
表示发动机推力作用位置
[0049]g是重力加速度，x
n
表示第n个箭体截面位置；
[0050]δ(x
n
‑
x
f
)表示阶跃函数，即
[0051][0052]进一步地，所述等效轴力计算公式如下所示，
[0053]T
eq
＝T
n
±
4M
n
/D
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0054]式中，T
eq
表示等效轴力，正值表示等效轴压，负值表示等效轴拉；
[0055]D表示箭体各载荷计算截面直径。
[0056]进一步地，所述根据等效轴力对比结果，若初始设计载荷等效轴力小于本方法所得的校核静载荷计算结果或不超过本方法所得的校核静载荷计算结果的5％，则认为初始设计载荷计算结果正确有效，否则采用本方法所得的校核静载荷作为结构强度校核依据重新进行结构设计。
[0057]另一方面，本专利技术还提供一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运载火箭飞行静载荷校核方法，其特征在于包括如下步骤：对影响运载火箭飞行载荷的因素进行分析，确定总体参数偏差项和偏差范围；采用蒙特卡洛方法，根据不同总体参数的概率偏差分布，对各个偏差量生成随机数；针对运动过程中火箭所受的各种力和力矩，建立包含六个动力运动微分方程的弹道六自由度仿真模型，对弹道进行六自由度仿真；对六自由度仿真所得弹道进行筛选，去除偏差量超出设定偏差范围的弹道，根据筛选后的弹道选出载荷计算工况，所述载荷计算工况包括动压与总攻角乘积最大点、侧向过载最大点、动压最大点以及轴向过载最大点；根据挑选出的载荷计算工况的质量分站数据和分布气动载荷数据，采用一般力学的方法，利用达朗贝尔原理，求解各个载荷计算工况下火箭各截面上的校核静载荷；将所述校核静载荷的计算结果与初始设计飞行静载荷计算结果进行对比分析，采用等效轴力的方法判断所述校核静载荷计算结果与初始设计飞行静载荷计算结果的差别，从而对初始设计飞行静载荷计算结果进行校核。2.根据权利要求1所述的运载火箭飞行静载荷校核方法，其特征在于所述箭体各截面校核静载荷包括轴力、剪力、弯矩，所述校核载荷计算方法为：根据火箭各个部段的质量和质心特征将火箭聚缩为等效的多个质点，对火箭进行分站，从而将火箭离散化为由有限个不同质量的质点构成的一根单梁，各质点称为离散化后的站点，将箭体上的气动力、惯性力分配到各站点，从火箭头部的尖点开始逐站点计算各截面轴力、剪力、弯矩，当前站点截面轴力为该截面之前各站点的轴向力累加值，当前站点截面剪力为该站点截面之前各站点的法向力累加值，当前站点截面弯矩为该站点截面之前各站点对该站点截面产生弯矩即法向力与距离的乘积的累加值；火箭飞行过程中由气动力产生的剪力、弯矩可按下列公式计算，火箭飞行过程中由气动力产生的剪力、弯矩可按下列公式计算，火箭飞行过程中由气动力产生的剪力、弯矩可按下列公式计算，火箭飞行过程中由气动力产生的剪力、弯矩可按下列公式计算，式中，Q
yn
、Q
zn
表示气动力产生的y向和z向剪力M
yn
、M
zn
表示气动力产生的y向和z向弯矩q表示飞行动压s表示气动参考面积CN
i
、CZ
i
、CA
i
表示法向、横向、轴向的气动力系数CN、CZ、CA表示法向、横向、轴向的气动力系数总和x
T
、x
y
表示火箭质心和气动力压力中心
J
y
、J
z
表示火箭纵向和横向的转动惯量i代表站点序号，取值为1到n的自然数m
i
和x
i
表示每个分站站点的质量和位置M是全箭总质量x
y
和x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：田鹏宇，刘访，周前坤，黄陈哲，刘重洋，宋心成，冯聪，兰薇薇，郑洪伟，崔敏亮，
申请(专利权)人：航天科工火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：