[发明专利]一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法

说明书

本发明涉及一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，包括：S1，建立平流层飞艇的六自由度动力学模型；S2，建立平流层飞艇的平均热力学模型；S3，对平流层飞艇的动力学模型和热力学模型进行时域离散化；S4，采用牛顿迭代法，将每一时间微元的初始力场和初始温度场重新代回该时间微元内的排气控制方程，逐步迭代直至误差控制在误差允许范围内再进入下一时间微元的解耦计算，最终完成平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦。本发明可有效的解决现有平流层飞艇多自由度热力解耦低效，误差不可控的技术问题，实现了快速、低成本的解耦运算，保证了解耦结果的准确性和高效性。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别是涉及一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，基于MATLAB软件对平流层飞艇的升空全过程的多物理场耦合进行解耦仿真，用于指导平流层飞艇试验的实时升空全过程监测预测及控制前反馈对比分析。

背景技术

平流层飞艇作为重要的临近空间飞行器，具有重要的军用价值和民用价值。飞艇在升空全过程的仿真过程中涉及复杂的多物理场耦合问题，尤其是动力学和热力学的耦合非线性问题，因此在预测平流层飞艇升空轨迹和控制前反馈对比等关键技术方面，高效快速地解耦多物理场和观测各运动物理量对平流层飞艇的轨迹优化和控制设计具有重要的指导意义。目前国内外关于平流层飞艇的多物理场解耦方法主要是基于SIMULINK工具箱的解耦，SIMULINK工具箱主要适用于研究单自由度的一维飞艇热力耦合问题，具有以下三点局限性：

(1)涉及多物理场及六自由度耦合问题解耦缺乏有效的解耦手段， SIMULINK自带工具箱解耦速度慢，效率低；

(2)在控制计算误差方面无法有效使用迭代控制至允许误差范围；

(3)排错性能低，无法实时监测每一计算步的结果及其误差，为实时的飞艇升空测试提供有效的数据支撑

综上所述，行业内对现有关于平流层飞艇的多物理场耦合问题的解耦仍缺少一种高效精准可实现六自由度热力解耦的低成本计算方法。

发明内容

基于此，有必要针对多物理场的六自由度耦合问题解耦速度慢、效率低和误差大的问题，提供一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法。

一种基于MATLAB的平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦方法，应用在平流层飞艇升空全过程多物理场场景，包括：

S1，建立平流层飞艇的六自由度动力学模型；

S2，建立平流层飞艇的平均热力学模型；

S3，根据每一时间微元的初始力场和初始温度场，动力学方程线性化后再计算时间微元内的温度变化，推导出下一时间微元的初始力场和初始温度场，完成对平流层飞艇的动力学模型和热力学模型的时域离散化；

S4，采用牛顿迭代法，将每一时间微元的初始力场和初始温度场重新代回该时间微元内的排气控制方程，逐步迭代直至误差控制在误差允许范围内再进入下一时间微元的解耦计算，最终完成平流层飞艇升空多物理场耦合的解耦。

优选地，步骤S1包括结合平流层飞艇自重、气囊气体浮力、粘附质量、空气动力模型建立平流层飞艇的六自由度动力学模型；

其中，结合平流层飞艇自重建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：经坐标系转换后，平流层飞艇的重力在艇体坐标系下表达式为：

结合气囊气体浮力建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：经坐标系转换后，浮力方程在艇体坐标系下表达式为：

结合粘附质量建立平流层飞艇六自由度动力学模型包括：艇体坐标系下飞艇表面粘附质量方程为：