运载火箭动力学建模与稳定性分析

发布时间：2020-07-25 08:37

【摘要】：运载火箭上升段按照标称轨迹飞行是保证卫星、飞船等有效载荷能够进入预定轨道的关键,因此对运载火箭上升段的特征飞行秒点进行稳定性分析是非常必要的。而运载火箭非线性动力学模型难以适用于火箭实时的稳定性分析,因此发展工程实用的稳定性分析方法具有重要的实际意义。本文以液体运载火箭为研究对象,考虑弹性振动和液体推进剂晃动的影响,建立刚弹晃耦合的非线性动力学模型。然后将非线性动力学模型小扰动线性化,得到小偏差线性模型。利用双步QR算法求取小偏差线性模型特征多项式的特征值,获得箭体传递函数,并根据线性系统稳定性判据进行稳定性分析。然而双步QR算法无法充分利用小偏差系数矩阵的稀疏性,随着需要考虑的弹性振动阶数和晃动阶数的增加,存在收敛速度慢、计算时间长的问题,难以满足实时稳定性分析的要求。本文针对双步QR算法的缺点,采用非对称Lanczos分解加速QR算法收敛,设计了改进的双步QR算法。该算法能够保持矩阵的稀疏性和减少存储量,能够一种快速、准确地求解高阶稀疏矩阵特征值,并通过数值仿真验证其有效性。本文采用改进的双步QR算法对算例的特征飞行秒点进行稳定性分析,证明了本文稳定性分析方法的可行性,为运载火箭飞行过程中实时的稳定性分析提供了新的方案和思路,具有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V475.1;V412.1
【图文】：

运载火箭,火箭

第 1 章绪论9 号火箭与“阿特拉斯”-5 型火箭还有一定差距，前者执行地球转移轨力为 8900 千克，而后者的地球转移轨道的运载能力为 8900 千克。与的设计理念相似，欧洲的“阿丽亚娜”6 型运载火箭也弱化了上面级发近地轨道运输能力[8]。这些火箭大多采用增大直径、减少上面级的方法采用轻质材料或者复合材料的结构使得其低频振动特性更加复杂，所以次的弹性振动影响。

猎鹰,火箭

示意图,示意图,猎鹰,火箭

图 1.1 “阿丽亚娜”6 型运载火箭图 1.2 测试中的“猎鹰”9 号火箭块化设计和通用化架构也是新型号运载火箭的一大特点。传统运载火箭都事的需要设计的，很多传统火箭型号都改进自洲际弹道导弹，存在任务适[9]。为了执行不同任务，需要设计新的改型和子型号，增加生产成本和管理的“安加拉”火箭[10]采用模块化结构设计，第一级主发动机与捆绑的助推芯级发动机 RD191，根据发射任务不同增减发动机数量。这样的模块化设种选择，提高了任务适应性。同样的思路“猎鹰”系列火箭采用 10 台“，基于“猎鹰”9 号发展而来的“重型猎鹰”火箭两个助推器和芯级设计于采用相同结构和相同的发动机，提高了单品产量，生产部门就可以简化现流水线批量生产。由于助推器和芯级采用相同的发动机模块，助推器的载火箭的影响进一步增加，造成稳定性分析过程中晃动方程的阶数增加，实时稳定性分析的难度。

【参考文献】