搭载探空火箭的落球落点散布的估算及其仿真平台的研究
发布时间：2020-03-28 05:46
【摘要】：近年来,我国的探空火箭发射技术已经达到了国际领先水平,探空火箭正在朝着小运载、商业化的趋势发展。但是,探空火箭研发过程会耗费很大的人力、物力和财力,而且如果研发过程中出现问题,就会直接导致火箭不能很好的完成作业,甚至造成发射的失败和资源的浪费,而且还会给环境带来很大的负面影响。再者,火箭将落球运送到一定高度后抛出,落球会在重力的作用下落回地面,其落点可能会对地面安全造成威胁。因此,能够开发出一套探空火箭的轨迹及落球落点散布估算的仿真平台是很有必要的。它可以在火箭发射之前将设计参数导入平台仿真,并根据仿真的效果对设计参数进行修正;另外,这样一套仿真平台对于保证地面安全和落球的回收等方面具有一定的理论和实践的指导意义。基于此,本文主要工作如下:首先,选取了火箭轨迹计算的大气模型,分析了火箭飞行轨迹的影响因素。通过对目前航空航天领域常用的大气模型进行对比,发现USSA-1976大气模型从地理位置、大气成分和适用高度上都适合本次火箭的发射。通过对火箭在有、无随机风的干扰和不同发射角下的飞行轨迹进行对比,定量的分析了同一发火箭在有、无风扰和不同发射角下的轨迹差异,并且提及了级间分离方式、科氏附加力和地球表面曲率会对火箭的飞行轨迹产生影响。其次,运用控制体追踪法推导了变质量质点系的动量定理,结合动量定理、动量矩定理和牛顿运动定理建立了火箭的动力学模型并搭建了高空组合风场模型,推导了火箭和落球的轨迹微分方程,并对其进行MATLAB仿真求解,发现MATLAB仿真结果和航天某院预发射火箭及落球的预期发射参数基本吻合,验证了模型的正确性。最后,基于C++和MATLAB混合编程,开发了火箭轨迹及落球落点散布的仿真平台—“觅鹰者”。该仿真平台具有友好的人际交互界面、多样的参数输出形式和逼真的动画演示效果,并留有供平台扩展的程序接口,能很好地实现“箭体匹配”、“火箭仿真”和“落球仿真”三大基本功能。通过平台仿真数据和预发射参数进行对比,验证了该平台的正确性。
【图文】：
展到现在的第四代 TK 系列探空火箭，其技术水平已进入国际先进行列，总体性能与 ES的 MiniTEXUS、TEXUS、MASER、MAXUS 相当。探空火箭系统是一个非常复杂的非线性时变系统[1]，，包括其自身特征参数在内的所有飞行环境参数都在随时间发生变化。特别是火箭的质量，由于箭体加装了很大质量的推进剂（现代固体火箭推进剂的加装总量可以达到整个箭体质量的 90%[2]），所以火箭在满载情况下质量比较大，但是随着推进剂的消耗，火箭的质量会随着时间变化，直至燃料燃尽，火箭达到空载状态后，质量的变化才会减小。此后的过程中，火箭质量的变化主要是由于高速飞行时箭体表面和大气的相互摩擦产生的高温灼烧导致的质量减小，这部分质量的变化也是非线性的，上述因素导致的结果是火箭的速度和飞行高度也在不断地增大。此外，这个时变系统还包括：第一、火箭的飞行高度、速度以及加速度随飞行时间的变化；第二、地心对火箭的引力随着飞行高度的变化；第三、由于燃料流速的非线性变化导致发动机的推力的非线性变化第四、由于高空大气的稀薄程度不同导致的火箭所受的气动载荷的不断变化；第五、箭体转动惯量的时变性；第六、燃料燃尽后下面级和整流罩的分离导致火箭的几何结构的变化[3]；第七、由箭体结构和质量变化导致火箭的质心位置不断变化等[4]。如图 1-1 所示为一个二级串连的探空火箭三维实体模型图。二级发动机一级分离面
图 1-3 火箭各部分分离时序简图Fig.1-3 Separation sequence diagram of each part of a rocket 相关领域的研究进展1 落点散布的研究现状目前，对于落点散布的研究，国内外还是主要集中在对火箭布雷弹、子弹药、弹作战对象的研究上。李冉等人采用 Navier-Stokes 方程和 Chimera/Dverset 方法对后的弹道进行了仿真计算[10]。高伟等人基于七自由度的弹道模型，研究了控制误落点散布的影响[11]。李军营等人研究了 8 种主要因素对子母弹弹头落点散布的影机风对高空运动物体的影响比较明显[12]。孙传杰等人研究了抛撒点参数对子弹头影响，发现抛撒高度和抛撒速度对落点散布的影响最大[13]。居仙春等人利用经典分析了影响子弹药落点散布的几个因素，建立了子弹药落点散布的随机模型，得在随机因素影响下的落点散布情况[14]。柏迅等人利用蒙特卡罗方法分析得出了落计特性，为缩小落点散布和提高射击精度提供了理论支持[15]。Li Yaoyao 等人的撒速度对子弹药落点的间距影响较大，而抛撒高度则主要影响落点的密集程度
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V411.8;TP391.9
【图文】：
展到现在的第四代 TK 系列探空火箭，其技术水平已进入国际先进行列，总体性能与 ES的 MiniTEXUS、TEXUS、MASER、MAXUS 相当。探空火箭系统是一个非常复杂的非线性时变系统[1]，，包括其自身特征参数在内的所有飞行环境参数都在随时间发生变化。特别是火箭的质量，由于箭体加装了很大质量的推进剂（现代固体火箭推进剂的加装总量可以达到整个箭体质量的 90%[2]），所以火箭在满载情况下质量比较大，但是随着推进剂的消耗，火箭的质量会随着时间变化，直至燃料燃尽，火箭达到空载状态后，质量的变化才会减小。此后的过程中，火箭质量的变化主要是由于高速飞行时箭体表面和大气的相互摩擦产生的高温灼烧导致的质量减小，这部分质量的变化也是非线性的，上述因素导致的结果是火箭的速度和飞行高度也在不断地增大。此外，这个时变系统还包括：第一、火箭的飞行高度、速度以及加速度随飞行时间的变化；第二、地心对火箭的引力随着飞行高度的变化；第三、由于燃料流速的非线性变化导致发动机的推力的非线性变化第四、由于高空大气的稀薄程度不同导致的火箭所受的气动载荷的不断变化；第五、箭体转动惯量的时变性；第六、燃料燃尽后下面级和整流罩的分离导致火箭的几何结构的变化[3]；第七、由箭体结构和质量变化导致火箭的质心位置不断变化等[4]。如图 1-1 所示为一个二级串连的探空火箭三维实体模型图。二级发动机一级分离面
图 1-3 火箭各部分分离时序简图Fig.1-3 Separation sequence diagram of each part of a rocket 相关领域的研究进展1 落点散布的研究现状目前，对于落点散布的研究，国内外还是主要集中在对火箭布雷弹、子弹药、弹作战对象的研究上。李冉等人采用 Navier-Stokes 方程和 Chimera/Dverset 方法对后的弹道进行了仿真计算[10]。高伟等人基于七自由度的弹道模型，研究了控制误落点散布的影响[11]。李军营等人研究了 8 种主要因素对子母弹弹头落点散布的影机风对高空运动物体的影响比较明显[12]。孙传杰等人研究了抛撒点参数对子弹头影响，发现抛撒高度和抛撒速度对落点散布的影响最大[13]。居仙春等人利用经典分析了影响子弹药落点散布的几个因素，建立了子弹药落点散布的随机模型，得在随机因素影响下的落点散布情况[14]。柏迅等人利用蒙特卡罗方法分析得出了落计特性，为缩小落点散布和提高射击精度提供了理论支持[15]。Li Yaoyao 等人的撒速度对子弹药落点的间距影响较大，而抛撒高度则主要影响落点的密集程度
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V411.8;TP391.9
【参考文献】
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1 范勇;刘f
本文编号：2604013
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