基于能量爬升的组合动力运载器两级入轨分离点优化方法与流程

本发明属于两级入轨组合动力运载器，涉及一种基于能量爬升的组合动力运载器两级入轨分离点优化方法。

背景技术：

1、由于国际空间活动频繁增加，各国对航天运载工具的需求急剧上升。在这种背景下，可重复使用航天运输系统成为了航天技术研究的焦点。它的发展对于降低空间探索的成本具有关键意义。它的主要动力方式分别为火箭动力和组合动力。火箭动力技术侧重于传统的推进方法；组合动力技术探索了火箭动力与其他推进方式相结合的新技术路线，以提高可重复使用航天运输系统的效率。

2、组合动力运载器在航天运输领域的重要性不容小觑，它不仅为人类提供了快速进入太空的途径，还为大规模的空间开发提供了基础平台。组合动力运载器通过提供安全、快捷的空间访问方式，为航天运输领域带来了技术上的更新。随着国际社会对空间探索的兴趣增加，组合动力运载器的发展越来越受到重视。

3、组合动力运载器在军事和民用领域具备很高应用价值。它不仅能够提供全球范围内的快速运输能力，还能够开展多样化的空间任务，因此各国纷纷将组合动力运载器的研发摆在了重要位置。在两级入轨组合动力运载器的研究中，安全地完成级间分离任务是关键技术问题。而级间分离任务的分离点的选取不仅影响分离过程的安全性，还直接影响飞行任务的规划和执行，进而影响两级入轨组合动力运载器的总体设计方案。

4、综上所述，针对组合动力运载器，如何选取分离点成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明目的旨在至少解决现有技术存在的问题之一。

2、为此，本发明提供一种基于能量爬升的组合动力运载器两级入轨分离点优化方法，能够实现组合动力运载器在级间分离任务中可靠的分离。

3、本发明的技术解决方案为：

4、一种基于能量爬升的组合动力运载器两级入轨分离点优化方法，所述组合动力运载器包括运载级飞行器和任务级飞行器；分离点包括分离速度和分离高度；

5、该分离点优化方法的具体步骤如下：

6、步骤1，对组合动力运载器进行质量建模，确定分离点的选取与组合动力运载器的总起飞质量wto的关系：选取的分离点，能够使得总起飞质量wto最小；

7、步骤2，对运载级飞行器进行动力系统建模，建立运载级飞行器的比冲isp与燃油秒耗率/耗油量的关系；

8、步骤3，在任务级飞行器与运载级飞行器分离之前，根据能量高度，计算运载级飞行器实时变化的燃油质量与运载级飞行器飞行的速度v、高度h的关系；

9、步骤4，根据运载级飞行器实时变化的燃油质量与运载级飞行器飞行的速度v、高度h的关系，对爬升轨迹进行速度、高度进行离散化，得到若干组一一对应的运载级飞行器飞行的速度v、高度h与燃油质量wf的关系；并计算得到每一组关系的总起飞质量wto，在得到的所有总起飞质量wto中，选择wto最小值对应的速度v、高度h作为最优的分离点。

10、进一步的，在步骤1中，组合动力运载器的总起飞质量wto包括运载级飞行器的结构质量we、运载级飞行器装载的燃油质量wf、运载级飞行器的机务质量wc、运载级飞行器的载荷质量wp：

11、wto＝we+wf+wp+wc  (1)

12、其中，运载级飞行器的载荷质量wp即为任务级飞行器的总重；运载级飞行器的载荷质量wp与运载级飞行器的机务质量wc为给定的设计要求，在给定wp和wc的条件下；采用结构质量比与燃油质量比将总起飞质量wto表示为：

13、

14、因此，组合动力运载器的总起飞质量wto的估算需要结合结构质量比燃油质量比组合动力运载器以分离点作为任务界面，分离点的差异影响运载级飞行器的燃油质量wf；因此，分离点的选取原则为：选取的分离点，能够使得总起飞质量wto最小。

15、进一步的，所述结构质量比的取值范围为0.2与0.75。

16、进一步的，在步骤2中，运载级飞行器的比冲isp与燃油秒耗率/耗油量的关系为：

17、

18、其中，f表示运载级飞行器的推进系统产生的推力；g表示海平面的重力加速度。

19、进一步的，运载级飞行器的比冲isp表示为：

20、

21、其中，是五个不同的系数，m是运载级飞行器的飞行马赫数，∝是运载级飞行器的攻角。

22、进一步的，步骤3的具体步骤如下：

23、步骤3-1，对组合动力运载器进行受力分析，令来流速度与运载级飞行器的机体弦线夹角为攻角α，爬升角为θ，推力f沿机体弦线向前，升力l垂直于来流方向，阻力d平行于来流方向，组合动力运载器的总重w垂直向下，组合动力运载器飞行的加速度为a，速度为v，高度为h，得到推重比参数

24、

25、步骤3-2，计算运载级飞行器的爬升段加速度a：

26、

27、其中，v1是前一级等能量高度线与爬升曲线的交点处的速度，v2是后一级等能量高度线与爬升曲线的交点处的速度；h1是前一级等能量高度线与爬升曲线的交点处的高度，h2是后一级等能量高度线与爬升曲线的交点处的高度；

28、将公式(23)带入公式(18)，可解算得到推重比参数

29、步骤3-3，计算运载级飞行器的爬升段燃油消耗质量δmf：

30、

31、其中，能量转换效率η；he为能量高度，hei为第i级能量高度，hei+1为第i+1级能量高度；为燃油秒耗率/耗油量；ps为单位质量剩余功率；isp为运载级飞行器的比冲；

32、将步骤3-2解算得到推重比参数带入公式(34)，可计算得到能量高度由hei变化至hei+1时，对应的质量变化即该阶段的燃油消耗质量δmf；

33、每相邻两个等能量高度线之间的燃油消耗质量可进行迭代求解，将每段燃油消耗质量求和可得高超声速爬升的总燃油消耗量，即sdmf(i)＝wf，进而可得到运载级飞行器实时变化的燃油质量与运载级飞行器飞行的速度v、高度h的关系。

34、进一步的，步骤3-1的具体过程为：

35、根据牛顿第二定律，在沿机体方向对组合动力运载器进行受力分析，得到：

36、

37、在垂直于机体方向对组合动力运载器进行受力分析：

38、l＝fsinq+wcosq＝fsina+wcosq  (14)

39、联立式(13)与式(14)可以得到：

40、

41、由于α≈θ，公式(15)变形为：

42、

43、cosa≈1，sinα≈0，公式(16)变形为：

44、

45、进一步化简可得：

46、

47、进一步的，步骤3-2的具体过程为：

48、沿机体方向的爬升段的分位移/可表示为：

49、

50、对公式(19)进行推导可得：

51、

52、进一步化简可得：

53、

54、由于平行于机体方向的爬升段的分位移/也可以表示为：

55、

56、因此，爬升段的加速度a可以表示为：

57、

58、进一步的，步骤3-3的具体过程为：

59、对式(13)，左右同时乘以速度v，可以得到：

60、

61、其中，速度v在竖直方向的分量为爬升速度，可表示为：

62、

63、联立式(24)与式(25)，可得：

64、

65、式(26)中等号右侧为单位质量剩余功率ps，可表示如下：

66、

67、联立式(26)与式(27)可得：

68、

69、由于爬升角q与单位剩余功率ps的耦合关系可表示为：

70、

71、根据式(28)与式(29)可得：

72、

73、将组合动力运载器爬升过程中消耗单位质量的燃油所获得的能量增加值定义为能量转换效率η，公式可表示为：

74、

75、能量高度由hei变化至hei+1时，对应的质量变化即该阶段的燃油消耗质量δmf，可以由下式积分得到：

76、

77、飞行器推力f和比冲的关系可表示为：

78、

79、将式(31)、式(33)、式(29)代入式(32)可得公式(34)。

80、进一步的，令组合动力运载器从水平起飞至开始高超声速爬升之间的消耗燃油质量占组合动力运载器总起飞质量的5％，因此式(34)中wi的初始值w0＝0.95*wto。

81、应用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

82、(1)本发明以两级入轨组合动力运载器为研究对象，从传统航空飞行器的设计方案出发，根据两级入轨组合动力运载器的任务指标进行融合之后，以总起飞质量最小为性能指标，设计了级间分离方案，即最优分离点的选取，以爬升段燃油消耗质量为总起飞质量计算的切入点，对总起飞质量进行计算，可以得到特定分离高度和马赫数下的总起飞质量计算结果，在概念设计阶段实现了对分离点的可靠选取，为两级入轨组合动力运载器分离策略的选取提供了理论支持。

83、(2)本发明通过引入能量高度的概念，实现了燃油质量的详细计算，给出了级间分离点的选取方式与计算方法，形成了完整的级间分离策略，找到了分离点与总起飞质量的关系，可在飞行器初步设计阶段实现总起飞质量与分离点的快速计算。