發(fā)布時間：2020-03-28 05:46

【摘要】：近年來,我國的探空火箭發(fā)射技術(shù)已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平,探空火箭正在朝著小運載、商業(yè)化的趨勢發(fā)展。但是,探空火箭研發(fā)過程會耗費很大的人力、物力和財力,而且如果研發(fā)過程中出現(xiàn)問題,就會直接導(dǎo)致火箭不能很好的完成作業(yè),甚至造成發(fā)射的失敗和資源的浪費,而且還會給環(huán)境帶來很大的負(fù)面影響。再者,火箭將落球運送到一定高度后拋出,落球會在重力的作用下落回地面,其落點可能會對地面安全造成威脅。因此,能夠開發(fā)出一套探空火箭的軌跡及落球落點散布估算的仿真平臺是很有必要的。它可以在火箭發(fā)射之前將設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入平臺仿真,并根據(jù)仿真的效果對設(shè)計參數(shù)進行修正;另外,這樣一套仿真平臺對于保證地面安全和落球的回收等方面具有一定的理論和實踐的指導(dǎo)意義�；诖�,本文主要工作如下:首先,選取了火箭軌跡計算的大氣模型,分析了火箭飛行軌跡的影響因素。通過對目前航空航天領(lǐng)域常用的大氣模型進行對比,發(fā)現(xiàn)USSA-1976大氣模型從地理位置、大氣成分和適用高度上都適合本次火箭的發(fā)射。通過對火箭在有、無隨機風(fēng)的干擾和不同發(fā)射角下的飛行軌跡進行對比,定量的分析了同一發(fā)火箭在有、無風(fēng)擾和不同發(fā)射角下的軌跡差異,并且提及了級間分離方式、科氏附加力和地球表面曲率會對火箭的飛行軌跡產(chǎn)生影響。其次,運用控制體追蹤法推導(dǎo)了變質(zhì)量質(zhì)點系的動量定理,結(jié)合動量定理、動量矩定理和牛頓運動定理建立了火箭的動力學(xué)模型并搭建了高空組合風(fēng)場模型,推導(dǎo)了火箭和落球的軌跡微分方程,并對其進行MATLAB仿真求解,發(fā)現(xiàn)MATLAB仿真結(jié)果和航天某院預(yù)發(fā)射火箭及落球的預(yù)期發(fā)射參數(shù)基本吻合,驗證了模型的正確性。最后,基于C++和MATLAB混合編程,開發(fā)了火箭軌跡及落球落點散布的仿真平臺—“覓鷹者”。該仿真平臺具有友好的人際交互界面、多樣的參數(shù)輸出形式和逼真的動畫演示效果,并留有供平臺擴展的程序接口,能很好地實現(xiàn)“箭體匹配”、“火箭仿真”和“落球仿真”三大基本功能。通過平臺仿真數(shù)據(jù)和預(yù)發(fā)射參數(shù)進行對比,驗證了該平臺的正確性。
【圖文】：

展到現(xiàn)在的第四代 TK 系列探空火箭，其技術(shù)水平已進入國際先進行列，總體性能與 ES的 MiniTEXUS、TEXUS、MASER、MAXUS 相當(dāng)。探空火箭系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)[1]，，包括其自身特征參數(shù)在內(nèi)的所有飛行環(huán)境參數(shù)都在隨時間發(fā)生變化。特別是火箭的質(zhì)量，由于箭體加裝了很大質(zhì)量的推進劑（現(xiàn)代固體火箭推進劑的加裝總量可以達到整個箭體質(zhì)量的 90%[2]），所以火箭在滿載情況下質(zhì)量比較大，但是隨著推進劑的消耗，火箭的質(zhì)量會隨著時間變化，直至燃料燃盡，火箭達到空載狀態(tài)后，質(zhì)量的變化才會減小。此后的過程中，火箭質(zhì)量的變化主要是由于高速飛行時箭體表面和大氣的相互摩擦產(chǎn)生的高溫灼燒導(dǎo)致的質(zhì)量減小，這部分質(zhì)量的變化也是非線性的，上述因素導(dǎo)致的結(jié)果是火箭的速度和飛行高度也在不斷地增大。此外，這個時變系統(tǒng)還包括：第一、火箭的飛行高度、速度以及加速度隨飛行時間的變化；第二、地心對火箭的引力隨著飛行高度的變化；第三、由于燃料流速的非線性變化導(dǎo)致發(fā)動機的推力的非線性變化第四、由于高空大氣的稀薄程度不同導(dǎo)致的火箭所受的氣動載荷的不斷變化；第五、箭體轉(zhuǎn)動慣量的時變性；第六、燃料燃盡后下面級和整流罩的分離導(dǎo)致火箭的幾何結(jié)構(gòu)的變化[3]；第七、由箭體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量變化導(dǎo)致火箭的質(zhì)心位置不斷變化等[4]。如圖 1-1 所示為一個二級串連的探空火箭三維實體模型圖。二級發(fā)動機一級分離面

圖 1-3 火箭各部分分離時序簡圖Fig.1-3 Separation sequence diagram of each part of a rocket 相關(guān)領(lǐng)域的研究進展1 落點散布的研究現(xiàn)狀目前，對于落點散布的研究，國內(nèi)外還是主要集中在對火箭布雷彈、子彈藥、彈作戰(zhàn)對象的研究上。李冉等人采用 Navier-Stokes 方程和 Chimera/Dverset 方法對后的彈道進行了仿真計算[10]。高偉等人基于七自由度的彈道模型，研究了控制誤落點散布的影響[11]。李軍營等人研究了 8 種主要因素對子母彈彈頭落點散布的影機風(fēng)對高空運動物體的影響比較明顯[12]。孫傳杰等人研究了拋撒點參數(shù)對子彈頭影響，發(fā)現(xiàn)拋撒高度和拋撒速度對落點散布的影響最大[13]。居仙春等人利用經(jīng)典分析了影響子彈藥落點散布的幾個因素，建立了子彈藥落點散布的隨機模型，得在隨機因素影響下的落點散布情況[14]。柏迅等人利用蒙特卡羅方法分析得出了落計特性，為縮小落點散布和提高射擊精度提供了理論支持[15]。Li Yaoyao 等人的撒速度對子彈藥落點的間距影響較大，而拋撒高度則主要影響落點的密集程度
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V411.8;TP391.9

【參考文獻】

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1 范勇;劉f

本文編號：2604013