[發(fā)明專利]一種載人登月質(zhì)量規(guī)模估算的方法與系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510362335.2
• 申請(qǐng)日: 2015-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN105005643B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉慧;毛李恒;趙建文;李人杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種載人登月質(zhì)量規(guī)模估算的方法，其特征在于：它包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：建立質(zhì)量規(guī)模參考數(shù)據(jù)庫

所述質(zhì)量規(guī)模參考數(shù)據(jù)庫由載人飛船和登月飛船各部件的質(zhì)量、功能、功耗參數(shù)組成，各參數(shù)之間是并列關(guān)系，該數(shù)據(jù)庫將為質(zhì)量規(guī)模估算打下基礎(chǔ)；

步驟二：飛行器與飛行過程模塊化

所述飛行器與飛行過程模塊化包含飛行器模塊化和飛行過程模塊化兩部分，二者屬于并列關(guān)系；

所述飛行器模塊化是指將載人飛船的推進(jìn)艙、軌道艙、返回艙以及登月艙、火箭末級(jí)、推進(jìn)飛行器第一、二、三級(jí)看作獨(dú)立的模塊，建立各個(gè)模塊的干重估算數(shù)學(xué)模型；各個(gè)模塊是并列關(guān)系，部分模塊之間存在參數(shù)耦合；

所述飛行過程模塊化是指將飛行過程劃分為一系列飛行階段，不同的飛行方案包含的飛行階段不同，飛行階段模塊化還要明確各個(gè)階段的速度增量需求；

步驟三：飛行方案構(gòu)造

所述飛行方案構(gòu)造包括飛行器選取和飛行階段選取兩部分，二者在構(gòu)造飛行方案時(shí)按順序執(zhí)行，即先選擇飛行器，再選擇飛行階段；

所述飛行器選取即選擇經(jīng)步驟二模塊化后的飛行器，能全選，也能部分選擇，具體選擇應(yīng)由該方法的使用者決定；選擇某一飛行器模塊后，這一模塊對(duì)應(yīng)的干重估算模型也就唯一確定；

所述飛行階段選取即選擇每個(gè)飛行器對(duì)應(yīng)的飛行階段，每個(gè)飛行器能對(duì)應(yīng)一個(gè)飛行階段，也能對(duì)應(yīng)多個(gè)飛行階段；

步驟四：質(zhì)量規(guī)模求解

利用逆推法和數(shù)學(xué)迭代對(duì)質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行估算；

所述逆推法是指利用后一階段的飛行器質(zhì)量和速度增量需求，推出前一階段飛行器的質(zhì)量；逆推法從飛行的最后一個(gè)階段開始，直到推出飛行器的發(fā)射質(zhì)量為止，逆推過程建立在齊奧爾科夫斯基公式和質(zhì)量規(guī)模參考數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上；

所述數(shù)學(xué)迭代是指飛行器各分系統(tǒng)及飛行各階段之間存在耦合變量，這些耦合變量無法直接求解，需要通過數(shù)學(xué)迭代的方法實(shí)現(xiàn)；

逆推時(shí)需要利用齊奧爾科夫斯基公式，齊奧爾科夫斯基公式給出了變軌所需速度增量、燃料質(zhì)量以及有效載荷質(zhì)量三者之間的關(guān)系，表達(dá)式如下：

mprop=mbo(eΔvIsp·g-1)---(1)]]>

式中，m_prop為變軌消耗的燃料質(zhì)量，m_bo為有效載荷和推進(jìn)飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，Δv為變軌所需速度增量，I_sp為推進(jìn)劑比沖；

逆推法數(shù)學(xué)模型如下：

假設(shè)整個(gè)飛行過程共有n個(gè)階段，從前到后分別用s₁,s₂,…,s_n表示，在第i階段中，2≤i≤n，速度增量為Δv_i，拋掉部分的質(zhì)量為Δm_i，第i階段結(jié)束時(shí)的質(zhì)量為m_i，則第(i-1)階段結(jié)束時(shí)的質(zhì)量為

mi-1=mi+Δmi+(mi+Δmi)(eΔviIsp·g-1)=(mi+Δmi)·eΔviIsp·g---(2)]]>

根據(jù)以上遞推式，從最后一階段的質(zhì)量逆推到發(fā)射質(zhì)量；

在實(shí)際計(jì)算過程中，m_i和Δm_i含有未知項(xiàng)，燃料貯箱的質(zhì)量未知，燃料貯箱的質(zhì)量與推進(jìn)劑質(zhì)量有關(guān)，而推進(jìn)劑的質(zhì)量與整個(gè)飛行過程緊密相關(guān)，遇到這種情況，需要利用迭代求解，具體描述如下：

1)給定迭代精度ε，給推進(jìn)劑貯箱一個(gè)初值質(zhì)量m₀，利用(2)式遞推求解推進(jìn)劑的總質(zhì)量m_p0；

2)利用m_p0和推進(jìn)劑密度ρ_p求得貯箱質(zhì)量m’₀：

推進(jìn)劑的體積V_p為

V_p＝m_p0/ρ_p(3)

假設(shè)推進(jìn)劑裝在球型貯箱中，則貯箱的內(nèi)表面半徑r為

r=3Vp4π3---(4)]]>

若貯箱的壁厚t，貯箱材料的密度為ρ，則貯箱的總質(zhì)量為

m0,=43π[(r+t)3-r3]·ρ---(5)]]>

3)判斷|m’₀-m₀|<ε是否成立，如果不成立，則令m₀＝m’₀，重復(fù)第1)步；如果成立則結(jié)束迭代；

運(yùn)用上述方法，能任意構(gòu)造載人登月方案，并快速地對(duì)質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行估算。

2.一種基于權(quán)利要求1所述的一種載人登月質(zhì)量規(guī)模估算的方法的系統(tǒng)，其特征在于：它包括信息參考模塊、飛行方案構(gòu)造模塊和質(zhì)量規(guī)模求解模塊，三個(gè)模塊在進(jìn)行質(zhì)量規(guī)模估算時(shí)按順序執(zhí)行，即先構(gòu)造信息參考模塊，再執(zhí)行飛行方案構(gòu)造模塊，最后執(zhí)行質(zhì)量規(guī)模求解模塊；

所述信息參考模塊由質(zhì)量規(guī)模參考數(shù)據(jù)庫子模塊、飛行器子模塊和飛行階段子模塊三部分組成，各子模塊之間是并列關(guān)系；該質(zhì)量規(guī)模參考數(shù)據(jù)庫子模塊是飛行器各零部件信息的存儲(chǔ)空間，采用層次結(jié)構(gòu)，它用于存儲(chǔ)載人飛船和登月飛船各部件的質(zhì)量、功能、功耗參數(shù)，為質(zhì)量規(guī)模估算打下基礎(chǔ)；該飛行器子模塊是飛行器信息的存儲(chǔ)空間，它用于存儲(chǔ)各飛行器的名稱和對(duì)應(yīng)的干重估算數(shù)學(xué)模型，包括的飛行器有推進(jìn)艙、軌道艙、返回艙、登月艙、火箭末級(jí)、推進(jìn)飛行器第一、二、三級(jí)；該飛行階段子模塊是飛行階段信息的存儲(chǔ)空間，它用于存儲(chǔ)各飛行階段的名稱和對(duì)應(yīng)的速度增量信息；

所述飛行方案構(gòu)造模塊由飛行器子模塊和飛行階段子模塊兩部分組成，二者按順序執(zhí)行，即先執(zhí)行飛行器子模塊，再執(zhí)行飛行階段子模塊；該飛行器子模塊是面向使用者的一個(gè)窗口，同時(shí)也是一個(gè)信息傳遞通道，它與飛行器子模塊相連，使用者從中選擇載人登月所需的飛行器，該子模塊能將相應(yīng)飛行器的干重估算數(shù)學(xué)模型傳遞給質(zhì)量規(guī)模求解模塊；該飛行階段子模塊是面向使用者的一個(gè)窗口，同時(shí)也是一個(gè)信息傳遞通道，它與飛行階段子模塊相連，使用者從中選擇飛行器對(duì)應(yīng)的飛行階段，該子模塊能將各飛行階段的速度增量信息傳遞給質(zhì)量規(guī)模求解模塊；

所述質(zhì)量規(guī)模求解模塊是逆推法和數(shù)學(xué)迭代求解算法的集合，它接收飛行方案構(gòu)造模塊傳遞的飛行器干重估算數(shù)學(xué)模型和飛行階段速度增量信息，對(duì)質(zhì)量規(guī)模進(jìn)行估算。