一种运载火箭一二级分离参数化建模方法与流程

本发明涉及航天科技领域，具体涉及一种基于modelica统一建模语言的运载火箭一二级分离参数化建模方法。

背景技术：

1、运载火箭是由多级火箭组成的航天运输工具，其用途是将人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。为了减少消极质量，提高运载能力和完成特定任务，运载火箭各级使用过后，废弃部分需要可靠的分离系统进行分离工作。分离系统必须确保分离体有效分离，并将分离间隙加大，防止碰撞而影响有效载荷姿态，进而影响发射任务，航天发射史中有很多因一二级分离不当导致发射失败的例子。

2、另外，运载火箭一二级分离过程需要考虑多参数偏差的影响，如质量特性偏差、初始条件偏差以及动力特性偏差等，如此众多的偏差会使两体分离过程存在二级发动机与一级内部接触碰撞甚至脱出失败的可能性，因此建立运载火箭一二给分离系统的参数化模型至关重要。

3、一二级分离过程涉及结构动力学、多体动力学、姿态控制、空气动力学等多个学科，关系到运载火箭布局与外形选择、参数设计等方面，需要联合多个学科进行多物理场耦合仿真。应了解，modelica语言是一个专门为多领域统一建模与仿真而设计的语言，在多物理场耦合仿真方面具有独特的优势。由于modelica语言具备面向对象、基于方程、模型可重用和结构层次化等特点，可有效实现运载火箭一二给分离系统建模。因此，急需一种方案，能够基于modelica统一建模语言进行运载火箭一二给分离系统参数化模型的构建。

技术实现思路

1、本发明的目的在于基于modelica因果式建模语言的参数化建模方法，建立运载火箭一二级分离模型，对运载火箭一二级分离过程进行快速数值模拟，并评估参数对一二级分离响应的影响，增加模型的灵活性和扩展性，缩短运载火箭的研发周期和降低成本。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种运载火箭一二级分离参数化建模方法，包括以下步骤：

3、根据一、二子级的质量、转动惯量、长度、直径参数，构建运载火箭一、二子级刚体的结构参数化模型；

4、根据理想质心位置、质心轴向偏移、质心横移和质心横移周向角参数建立一、二子级的质心位置参数化模型；

5、根据发动机推力作用点距轴线距离、距理论尖点距离和方位角参数建立正推力、反推力、后效推力的作用力位置参数化模型；

6、根据发动机安装角、喷管出口角、偏斜角、偏斜周向角参数建立作用力方向参数化模型；

7、构建一、二子级刚体间的约束装置模型；

8、利用上述所有模型搭建运载火箭一二级分离系统参数化模型；

9、利用运载火箭一二级分离系统参数化模型进行运载火箭一二级分离过程数值模拟，评估模型参数与一二级分离响应的影响。

10、优选的，作用力包括作用于一子级的反推力、后效推力、晃动力，和作用于二子级的正推力，建立的模型包括正推力位置参数化子模型、反推力位置参数化子模型、后效推力位置参数化子模型、晃动力位置参数化子模型、正推力方向参数化子模型、反推力方向参数化子模型、后效推力方向参数化子模型、晃动力方向参数化子模型。

11、优选的，所述晃动力位置参数化子模型根据液体晃动力参考点距理论尖点距离、距轴线距离和绕建立的参考坐标系x轴正向旋转周向角参数建立；

12、所述晃动力方向参数化子模型根据晃动力参考点至晃动力作用位置矢量绕x轴正向旋转90°得到；

13、所述参考坐标系原点位于一子级尾端中心点，x轴为火箭纵轴，指向火箭头部为正，y轴在火箭的纵对称面内，z轴与x、y轴构成右手坐标系。

14、优选的，所述运载火箭一二级分离系统参数化模型为将构建的结构参数化模型、正推力位置参数化子模型、反推力位置参数化子模型、后效推力位置参数化子模型、晃动力作用位置参数化子模型、正推力方向参数化子模型、反推力方向参数化子模型、后效推力方向参数化子模型、晃动力方向参数化子模型之间通过连接器连接，形成运载火箭一二级分离系统参数化模型，所述连接器包括流变量和势变量，并且流变量之和为零而势变量相等。

15、优选的，依据运载火箭一二级分离系统参数化模型的物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程建立数学模型；采用modelica统一建模语言构建模型并进行接口定义；接口用于传递力、位移、力矩和转角。

16、优选的，所述约束装置模型由约束装置、信号发生源及与一、二子级刚体连接的连接器组成，所述约束装置用于约束一、二子级刚体的相对位置、速度和姿态，并使约束装置在收到信号发生源发出的信号时进行约束解除。

17、优选的，在搭建运载火箭一二级分离系统参数化模型之后，采用对比验证的方式，对所述一二级分离系统参数化模型进行仿真验证。

18、优选的，进行对比验证的平台包括但不限于：adams、matlab。

19、一种运载火箭一二级分离参数化建模系统，包括：

20、模型分解模块，将运载火箭一二级分离过程分解为结构参数化模型、质心位置参数化模型、作用力位置参数化模型、作用力方向参数化模型、约束装置模型；

21、参数化分析模块，确定能够参数化表征模型分解模块分解得到的各模型的参数；

22、模型构建模块，根据一、二子级的质量、转动惯量、长度、直径参数，构建运载火箭一、二子级刚体的结构参数化模型；根据理想质心位置、质心轴向偏移、质心横移和质心横移周向角参数建立一、二子级的质心位置参数化模型；根据发动机推力作用点距轴线距离、距理论尖点距离和方位角参数建立正推力、反推力、后效推力的作用力位置参数化模型；根据发动机安装角、喷管出口角、偏斜角、偏斜周向角参数建立作用力方向参数化模型；构建一、二子级刚体间的约束装置模型；

23、模型搭建模块，将模型构建模块构建的所有模型搭建运载火箭一二级分离系统参数化模型；所述运载火箭一二级分离系统参数化模型用于进行运载火箭一二级分离过程数值模拟，评估模型参数与一二级分离响应的影响。

24、优选的，作用力包括作用于一子级的反推力、后效推力、晃动力，和作用于二子级的正推力，建立的模型包括正推力位置参数化子模型、反推力位置参数化子模型、后效推力位置参数化子模型、晃动力位置参数化子模型、正推力方向参数化子模型、反推力方向参数化子模型、后效推力方向参数化子模型、晃动力方向参数化子模型；所述晃动力位置参数化子模型根据液体晃动力参考点距理论尖点距离、距轴线距离和绕建立的参考坐标系x轴正向旋转周向角参数建立；所述晃动力方向参数化子模型根据晃动力参考点至晃动力作用位置矢量绕x轴正向旋转90°得到；所述参考坐标系原点位于一子级尾端中心点，x轴为火箭纵轴，指向火箭头部为正，y轴在火箭的纵对称面内，z轴与x、y轴构成右手坐标系。

25、因此，与现有技术相比，采用本发明可以实现以下的有益效果：

26、1)本发明基于因果式建模语言进行参数化建模，不同的坐标系可以对应于系统的不同部分或不同的物理现象，使计算方程的表达更加直观和简洁，能够减少坐标系建模时的歧义并提升语义的一致性，简化模型的表达。

27、2)基于modelica语言开发，能够使开发的参数化模型层次清楚、模型可重用、可扩展，极大的提高建模效率；

28、3)能够对运载火箭一二级分离过程进行快速数值模拟，并评估参数对一二级分离响应的影响，增加模型的灵活性和扩展性，缩短运载火箭的研发周期和降低成本。