[發(fā)明專利]一種基于運動脈動球的火箭液體大幅晃動模型建立方法

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• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN108549787A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設計）人: 韋常柱;崔乃剛;關英姿;浦甲倫;鄭威
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權代理有限公司 23211
• 代理人: 安琪

本發(fā)明提出了一種基于運動脈動球的火箭液體大幅晃動模型建立方法，屬于動力學建模技術領域。所述方法基于運動脈動球模型的等效，利用Newton?Euler法和功能關系，建立出可以得到儲箱受力、液體運動和火箭姿態(tài)運動的等效微分方程，達到精確預示液體火箭的力學環(huán)境的目的。本方法充分考慮了火箭大角度快速調(diào)姿情況下儲箱內(nèi)液體大幅非線性晃動，并考慮液體表面張力以及液體毛細力的影響，提高了模型的精度，能有效解決傳統(tǒng)的球擺或彈簧質(zhì)量等線性等效力學模型無法適用于液體大幅晃動對火箭干擾的問題。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于運動脈動球的火箭液體大幅晃動模型建立方法，屬于動力學建模技術領域。

背景技術

貯箱內(nèi)液體的晃動是指液體自由表面由于受到外加擾動或激勵而產(chǎn)生的運動。火箭儲箱內(nèi)液體的晃動現(xiàn)象對火箭的結構強度和運動穩(wěn)定性影響很大。特別是在火箭大幅度快速調(diào)姿情況下，如火箭調(diào)姿段，液體可能出現(xiàn)很強的大幅非線性晃動。儲箱內(nèi)液體晃動與儲箱結構相互耦合，產(chǎn)生較大的沖擊力、晃動力矩會引發(fā)油箱的結構強度問題。另一方面，隨著航天技術的不斷發(fā)展，液體燃料質(zhì)量占火箭總質(zhì)量的比重不斷增大，液體晃動與全箭結構的耦合對全箭姿態(tài)運動的影響不可忽視。同時負載對火箭的姿態(tài)控制及軌道控制精度的要求也越來越高，所以，在火箭總體及控制系統(tǒng)的設計過程中必須考慮儲箱液體晃動的影響。

目前，關于充液火箭姿態(tài)動力學與控制的研究大都基于同一個假設：液體燃料晃動的幅值遠小于儲箱尺寸，即線性液體晃動；在此情況下，可以用球擺或彈簧質(zhì)量等線性等效力學模型來模擬液體晃動對火箭的影響。但在火箭大角度快速機動等情況下，如火箭調(diào)姿段，液體燃料大幅度晃動將不能適用；同時在這種情況下，由于流體動力學計算問題自身的復雜性以及箭載計算資源的限制，如果采用基于計算流體動力學(Computational fluiddynamics，CFD) 模型的方法來模擬液體晃動動力學特性，進而開展火箭剛(剛體運動)-液(液體晃動)-控(控制策略設計)耦合系統(tǒng)一體化研究并應用于航天工程中將是不現(xiàn)實的且難以實現(xiàn)。因此亟需開展基于液體大幅晃動等效力學模型的充液火箭動力學研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中缺乏針對火箭的基于液體大幅晃動等效力學模型的技術問題，提出了一種基于運動脈動球的火箭液體大幅晃動模型建立方法，所采取的技術方案如下：

一種基于運動脈動球的火箭液體大幅晃動模型建立方法，所述模型建立方法包括：

步驟一、確定火箭本體坐標系；

步驟二、將所述火箭中第i個貯箱等效為球形貯腔，將所述貯箱液體等效為一個質(zhì)量不變而半徑可變的均勻的脈動球，其中，i＝1,2,…,n，對于垂直起降運載器n＝2；第i個脈動球可在第i個球形貯腔內(nèi)自由運動，但始終與球腔壁保持一個瞬時接觸點；

步驟三、根據(jù)步驟一確定的各物理量，在不考慮RCS控制的情況下，獲取不含所述脈動球的火箭的Newton-Euler方程；

步驟四、根據(jù)相對加速度、牽連加速度以及科氏加速度獲得第i個脈動球平動的加速度；

步驟五、利用所述第i個脈動球平動的加速度和第i個脈動球相對于接觸點P_ai的轉(zhuǎn)動的角速度獲得第i個脈動球的Newton-Euler方程；

步驟六、根據(jù)接觸點P_ai處第i個球形貯腔和第i個脈動球相互作用的法向力的幅值對第i個脈動球的能量的改變的三個表現(xiàn)因素確定第i個脈動球的能量變化量等于所述幅值沿著半徑方向所做的功；并根據(jù)所述第i個脈動球的能量變化量等于所述幅值沿著半徑方向所做的功獲得所述幅值的模型；

步驟七、將步驟六所述幅值的模型帶入到步驟五所述第i個脈動球的Newton-Euler方程中，最終獲得完整的運動脈動球的動力學方程；所述完整的運動脈動球的動力學方程即為所述火箭液體大幅晃動模型。