[发明专利]一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法

说明书

本发明涉及一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，包括：建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型；设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差；识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系；基于各个参数的额定值计算额定分离速度；根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量；判断各个组合状态下的最小测量变量是否满足分离期望值，如果均满足则完成参数额定值及上下偏差设置，否则进行修改。该方法减少了设计人员人为判断发生遗漏的可能。

技术领域

本发明涉及多级运载火箭技术领域，尤其涉及一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法。

背景技术

运载火箭级间分离按照分离能源分类有冷分离、热分离两种，按照分离过程可以分为一次分离和二次分离。冷分离的分离能源有固体小火箭、分离弹簧、冷气推杆等；热分离的分离能源主要为前分离体的发动机喷流，喷流作用在后分离体上，产生分离力，在分离力作用下，后分离体与前分离体之间产生位移，实现级间分离。冷分离方案中，推迟了前分离体的发动机点火时间，增加了火箭飞行过程中的重力影响，对运载能力产生损失。热分离主要应用在固体运载火箭上(早期液体运载火箭也有采用热分离方式)，但热分离方式的设计难度大，地面试验验证系统复杂。

因为级间分离失败意味着型号首飞失败，因此运载火箭研制过程中基本都会开展级间分离试验，由于工期紧张，地面分离试验也基本要求一次成功，这样就需要在方案设计阶段开展分离设计及分离仿真计算。传统分离仿真计算是基于刚体动力学，提取出影响分离安全的参数，并设计偏差，逐项手动组合偏差。人工偏差组合有人为判断因素，不仅准确率低，而且效率还不高。在计算机运算能力高速发展后，利用计算机和仿真程序，快速准确仿真出分离过程及分离安全性，对于型号研发进展和技术团队能力提升具有重要意义。

现有级间分离仿真方案，主要是利用刚体动力学仿真软件，设计前分离体和后分离体刚体模型，通过质量、质心位置、运动和转动速度、分离力等参数，并手动调整参数偏差，开展分离安全性分析。

由于人工设置分离参数偏差，计算效率低，计算准确率差，参数对分离安全性的影响敏感度需要人工判断，影响方案选择和方案设计的效率，进而影响总体设计团队的迭代周期，增加了方案阶段的时间成本和人工成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，能够减少摘选参数对于分离安全性敏感程度的过程，统一把各项分离参数及偏差均建立在动力学仿真模型中，利用计算机开展任意组合式动力学仿真计算，在分析结果中，可直接提取所有工况计算结果，并对结果进行对比，得到分离过程安全性计算结果。采用本发明的仿真方法，计算工况完整、仿真前处理工作大量简化，计算结果准确度高，程序集成化高，人工成本低，研制周期短。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于蒙特卡洛打靶的运载火箭级间分离仿真分析方法，包括：

(1)建立运载火箭一级和二级分离的三维刚体模型；

(2)设置刚体模型各个参数的额定值及上下偏差；

(3)识别分离过程中存在碰撞可能性的危险点；对每个危险点及对应的碰撞区域分别构建坐标系，以两个坐标系的间距为测量变量，表征危险点及对应的碰撞区域之间的间距；

(4)基于各个参数的额定值计算额定分离速度；

(5)根据各个参数的上下偏差以及额定分离速度，进行蒙特卡洛打靶，计算各个参数取上下边界值的状态进行组合；分别计算各个组合状态下的最小测量变量；

(6)判断各个组合状态下的最小测量变量是否满足分离期望值，如果均满足则完成参数额定值及上下偏差设置，否则返回步骤(2)，对不满足分离期望值时对应组合的参数额定值或上下偏差进行修改。