运载火箭着陆冲击载荷计算方法与流程

本发明属于运载火箭，尤其是涉及一种运载火箭着陆冲击载荷计算方法。

背景技术：

1、在航天领域，如商业航天的火箭研制中，着陆缓冲装置是保证运载火箭回收成功的关键。在火箭上升段其紧贴箭体表面，被收拢在整流罩内部，降低气动阻力。回收阶段通过驱动机构展开并锁定，承受着陆冲击载荷，进行缓冲吸能，确保箭体结构和着陆缓冲装置不会损坏，并在后续发射任务中重复使用。着陆冲击载荷是着陆缓冲装置及尾段箭体结构的设计输入，在可重复使用火箭技术中，对火箭能否实现重复使用起着至关重要的作用。

2、现有的着陆冲击载荷计算方法主要有两种：1）根据设计经验给出着陆冲击过载，然后通过几何关系计算各零组件上的着陆冲击载荷。2）将箭体和着陆缓冲装置简化成刚体和缓冲器单元组成的仿真模型，通过运动学和动力学分析计算各零组件上的载荷。

3、发明人在实施本实施例的过程中，发现现有方法存在如下问题：1）依赖设计经验，没有理论计算和仿真分析，准确性无从考证；2）箭体和着陆缓冲装置通常被简化成刚体，仅考虑了轴力载荷；3）着陆缓冲装置的主要载荷包括轴力和弯矩，且弯矩对着陆缓冲装置的强度评估影响更大，合理的弯矩载荷是设计着陆缓冲装置的关键。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在上述的问题，本发明提供了一种运载火箭着陆冲击载荷计算方法。

2、本公开实施例提供了一种运载火箭着陆冲击载荷计算方法，包括：

3、获取着陆缓冲装置组件的设计参数，其中组件包括主支腿、副支腿和缓冲器，设计参数包括各组件的几何参数、各组件的材料属性、各组件之间的连接关系与各组件之间的运动副类型；

4、获取着陆冲击载荷计算所需参数，计算所需参数包括箭体在着陆时刻的质量特性、运动学参数、副支腿的足垫与地面间的摩擦系数及地面材料的力学性能；

5、基于设计参数和计算所需参数，建立着陆冲击载荷的有限元仿真分析模型，其中使用有限元仿真分析模型的弹塑性弹簧-阻尼单元模拟所述缓冲器的力学参数；

6、采用动力学分析方法对所述有限元仿真分析模型进行着陆冲击过程仿真计算；

7、提取仿真计算结果中所述着陆缓冲装置各组件的轴力载荷和弯矩载荷的时间历程，确定所述着陆缓冲装置的着陆冲击载荷。

8、可选的，所述基于设计参数和计算所需参数，建立着陆冲击载荷的有限元仿真分析模型，包括：

9、将箭体结构模拟为刚体，将着陆缓冲装置中的主支腿和副支腿结构组件模拟为柔性单元，并建立各组件间的连接与接触关系。

10、可选的，所述柔性单元为梁单元或壳单元。

11、可选的，所述缓冲器包括可压缩吸能缓冲器、油液缓冲器、气压缓冲器、机械弹簧缓冲器、电磁阻尼缓冲器的至少一种。

12、可选的，所述主支腿，包括可伸缩的多级套筒结构和和内锁机构，其中多级套筒结构中每两级套筒之间可沿轴向运动，以实现着陆缓冲装置的展开和收起，当套筒运动到行程位置，通过内锁机构将多级套筒结构锁定。

13、可选的，所述副支腿，包括撑杆、蒙皮和足垫；所述足垫设置在撑杆底部，所述蒙皮包裹到撑杆外侧。

14、可选的，所述箭体在着陆时刻的质量特性包括质量、质心位置和绕质心的转动惯量；所述运动学参数包括质心的速度矢量、角速度矢量和姿态角。

15、可选的，所述缓冲器的力学参数包括行程、弹性性能、压溃力曲线和阻尼特性。

16、可选的，所述连接关系包括主支腿与箭体的连接结构、主支腿与副支腿的连接结构和副支腿与箭体的连接结构，所述连接关系采用铰链运动副进行模拟。

17、可选的，所述动力学分析方法为显式动力学算法或隐式动力学算法。

18、本发明提供的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，通过建立箭体和着陆缓冲装置的组合体有限元模型，使用弹簧-阻尼单元对缓冲器特性进行模拟，并通过有限元仿真分析软件进行计算，克服了传统方法仅考虑轴力的局限性，从而达到能够精确计算出着陆缓冲装置各组件（包括弯矩在内）的冲击载荷，从而为缓冲装置及箭体相关结构的优化设计及强度验证提供了可靠依据。

1.一种运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述基于设计参数和计算所需参数，建立着陆冲击载荷的有限元仿真分析模型，包括：

3.根据权利要求2所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述柔性单元为梁单元或壳单元。

4.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述缓冲器包括可压缩吸能缓冲器、油液缓冲器、气压缓冲器、机械弹簧缓冲器、电磁阻尼缓冲器的至少一种。

5.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述主支腿包括可伸缩的多级套筒结构和内锁机构，其中多级套筒结构中每两级套筒之间可沿轴向运动，以实现着陆缓冲装置的展开和收起，当套筒运动到行程位置，通过内锁机构将多级套筒结构锁定。

6.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述副支腿包括撑杆、蒙皮和足垫；所述足垫设置在撑杆底部，所述蒙皮包裹到撑杆外侧。

7.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述箭体在着陆时刻的质量特性包括质量、质心位置和绕质心的转动惯量；所述运动学参数包括质心的速度矢量、角速度矢量和姿态角。

8.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述缓冲器的力学参数包括行程、弹性性能、压溃力曲线和阻尼特性。

9.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述连接关系包括主支腿与箭体的连接结构、主支腿与副支腿的连接结构和副支腿与箭体的连接结构，所述连接关系采用铰链运动副进行模拟。

10.根据权利要求1所述的运载火箭着陆冲击载荷计算方法，其特征在于，所述动力学分析方法为显式动力学算法或隐式动力学算法。