[發明專利]一種基于平衡飛行理論的運載火箭在線入軌能力評估方法

在審

• 申請號: 202011162857.5
• 申請日: 2020-10-27
• 公開（公告）號: CN112329137A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 孟云鶴;陳琪鋒;連一君;羅宗富
• 申請（專利權）人: 深圳三零三防務科技有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 周曉艷;張勇

本發明公開一種基于平衡飛行理論的運載火箭在線入軌能力評估方法，首先對火箭運動進行動力學分析并對火箭的動力系統故障進行辨識，并獲取故障模式下的推力加速度時間函數；其次對火箭的推力加速度進行判斷，得到火箭的飛行狀態，包含平衡飛行狀態、準平衡飛行狀態及火箭進入大氣層墜毀；接著估算當前火箭實際燃料水平具有的速度沖量和火箭入軌所需總速度增量；最后對當前火箭實際燃料水平具有的速度沖量和火箭入軌所需總速度增量進行比較，精確判斷火箭能否挽救；針對能挽救的情況，給出可行的制導方案。

技術領域

本發明涉及航天航空技術領域，具體涉及一種基于平衡飛行理論的運載火箭在線入軌能力評估方法。

背景技術

運載火箭在執行任務過程中，不可避免地會遭遇各種不同的故障，且故障模式和發生的時刻都是不確定的。在全箭眾多的故障模式中，動力系統故障是運載火箭最經常發生的，往往也是后果最嚴重的。

對現有故障數據的統計表明：火箭動力飛行段大約有60％的故障是動力系統故障；特別是重型運載火箭，在以大幅提升運載能力為目標的設計約束下，通常會采用并聯多助推器的捆綁方式，這在一定程度上也增大了動力系統發生故障的概率，嚴重時則直接導致飛行任務失敗。

目前對推力異常的非致命發動機故障的研究主要有兩種方法：

一、制導方法，包括早期跟蹤標準軌跡的制導方法、土星5號基于最優控制理論的迭代制導方法、航天飛機動力顯式制導，以及當今多種改進的迭代制導算法。

二、實時優化方法，包括凸優化方法、模擬退火方法、神經網絡方法等。

上述兩種方法都存在一定的不足：制導方法的問題在于是一種執行方法，對入軌能力的估計不充分，有時也難以保證入軌精度；優化方法的問題在于收斂性、計算效率和實時性難以滿足在線應用需求。

擁有“智慧大腦”的智能化運載火箭對自主信息感知、快速故障檢測、智能決策及實時重構等更有著強烈的需求。因此，當遭遇故障時第一時間辨識故障模式并進行能力評估尤為關鍵，對于推力系統故障，能否在線評估入軌能力關乎任務成敗。

發明內容

本發明提供一種基于平衡飛行理論的運載火箭在線入軌能力評估方法，包括以下步驟：

步驟一、對火箭的動力系統故障進行辨識，并獲取故障模式下的推力加速度a_c的時間函數；

步驟二、對火箭的推力加速度a_c進行判斷，具體如下：

若火箭的推力加速度a_c滿足表達式12)，則火箭進入平衡飛行狀態：

其中：n為目標圓形軌道的飛行角速度，ω為射程角速度，g₀為圓軌道引力加速度，β表示射程角；r表示地心距；t表示時間；μ表示地球引力系數；

若火箭的推力加速度a_c滿足表達式15)但不滿足表達式12)，則火箭進入準平衡飛行狀態；

其中：Δh為高度裕度；v_θ為故障時刻的周向速度分量，

若火箭的推力加速度a_c不滿足表達式15)，則火箭進入大氣層墜毀；

步驟三、通過表達式22)估算當前火箭實際燃料水平具有的速度沖量Δv；通過表達式23)估算火箭入軌所需總速度增量Δv_Re：

Δv＝v_idk-Δv_1k-Δv_2k-Δv_3k 22)；