CN107423849A - 一种月球天梯总体方案综合评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种月球天梯总体方案综合评价方法，其方法包括以下步骤：一：建立月球天梯总体参数计算模型；二：建立综合评价模型；三：计算月球天梯总体方案综合得分；通过以上步骤，达到了高效、准确、全面地对月球天梯总体方案开展定量评价的效果，解决了传统定性比较方法无法确定最优方案问题。本发明建立了月球天梯总体参数计算模型，能快速求得各种不同总体方案月球天梯的总体参数；构造了多指标评价模型，能够开展准确、全面的定量评价，减小了人为主观因素对评价结果的影响。

Description

一种月球天梯总体方案综合评价方法
技术领域
本发明涉及一种月球天梯总体方案综合评价方法，可以对月球天梯总体方案进行高效、准确、全面的评价，属于航天技术领域。
背景技术
月球天梯是一种新型的地月间运输系统，由于其具有运载成本低、运载能力大、可连续运行等优点，在未来很可能取代运载火箭用于地月间货物和人员的运输。
目前已有很多科研人员对月球天梯总体方案开展过研究，具体研究内容包括月球天梯的结构、建造方法、动力学与控制等，但是目前还没有人对月球天梯总体方案开展过定量化的综合评价。由于月球天梯总体方案众多，每种方案又涉及很多指标，人为很难直接确定最优方案，因此，建立一种高效、准确、全面的月球天梯总体方案综合评价方法是十分有必要的，可以为未来月球天梯的建造和运行提供参考。
发明内容
1、目的
本发明的目的是提供一种月球天梯总体方案综合评价方法，以高效、准确、全面地对月球天梯总体方案开展定量评价，为月球天梯的建造和运行提供参考。
2、技术方案
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。
本发明一种月球天梯总体方案综合评价方法，它包括以下几个步骤：
步骤一：建立月球天梯总体参数计算模型
所述月球天梯总体参数计算模型由质量规模计算子模型、年运载能力计算子模型、建造时间计算子模型和建造成本计算子模型四部分组成；
其中，质量规模计算子模型和年运载能力计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型依赖质量规模计算子模型得到的计算结果；四个子模型确定的四个总体参数即为月球天梯总体方案综合评价的评价指标；
该质量规模计算子模型、年运载能力计算子模型、建造时间计算子模型和建造成本计算子模型的情况分别介绍如下：
所述质量规模计算子模型通过受力分析得到月球天梯的受力平衡方程，通过对平衡方程的求解可得到月球天梯的质量规模；
所述年运载能力计算子模型以攀爬器个数、攀爬器运载能力、攀爬器运行速度以及运载高度为输入参数，计算求解月球天梯每年能运载的货物的质量；
所述建造时间计算子模型以质量规模计算子模型输出的月球天梯质量规模为输入参数，计算求解建造月球天梯所需的时间；
所述建造成本计算子模型以质量规模计算子模型输出的月球天梯质量规模为输入参数，计算求解建造月球天梯所需的金钱成本；
步骤二：建立综合评价模型
所述综合评价模型由层次分析法和灰色综合评价法两部分组成，二者属于并列关系；
该层次分析法为通用方法，在本发明中用于确定各个评价指标的权重系数；
该灰色综合评价法为通用方法，在本发明中用于确定各个评价指标相对于最优指标的关联度；
步骤三：计算月球天梯总体方案综合得分
所述计算月球天梯总体方案综合得分就是利用步骤二中确定的权重系数和关联度，求得每种月球天梯总体方案的综合得分；
其中，在步骤一中所述的“建立月球天梯总体参数计算模型”，其建立的过程如下：
质量规模计算子模型建立过程：首先确定月球天梯缆绳和配重在太空中的受力情况，缆绳和配重总共受到4个力的作用，分别是地球引力、月球引力、离心力和缆绳张力，然后建立受力平衡方程，最后通过对平衡方程的求解可以得到缆绳质量和配重质量，将二者相加即为月球天梯质量规模；
年运载能力计算子模型建立过程：首先确定攀爬器个数，然后确定攀爬器运行速度和运载高度并求得单次往返时间，最后根据攀爬器个数和单次往返时间求得月球天梯年运载能力；
建造时间计算子模型建立过程：首先利用质量规模计算子模型求得的配重质量，然后确定用于建造月球天梯的攀爬器的个数、运载能力和运行速度，最后求得建造月球天梯所需的时间；
建造成本计算子模型建立过程：首先利用质量规模计算子模型求得月球天梯缆绳质量，然后根据缆绳质量、缆绳材料制造成本和运输成本求得建造月球天梯所需的金钱成本；
其中，在步骤二中所述的“建立综合评价模型”，其建立的过程如下：
首先确定各个评价指标的相对重要性，然后利用层次分析法求得各个评价指标的权重系数；然后利用灰色综合评价法确定各个评价指标与最优指标之间的关联度；
其中，在步骤三中所述的“计算月球天梯总体方案综合得分”，其计算的作法如下：
将步骤二中求得的权重系数和关联度相乘得到每个指标的综合得分，然后将所有指标的综合得分相加就得到了月球天梯总体方案综合得分；
通过以上步骤，达到了高效、准确、全面地对月球天梯总体方案开展定量评价的效果，解决了传统定性比较方法无法确定最优方案的问题。
3、优点及功效
本发明建立了月球天梯总体参数计算模型，可以快速求得各种不同总体方案月球天梯的总体参数，避免了各方案单独计算带来的繁琐过程；本发明还构造了月球天梯总体方案多指标评价模型，能够对月球天梯总体方案开展准确、全面的定量评价，减小了人为主观因素对评价结果的影响。
附图说明
图1为月球天梯总体方案综合评价方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
由图1可以看出，本发明提供一种月球天梯总体方案综合评价方法，它包括以下三个步骤：
步骤一：建立月球天梯总体参数计算模型
所述月球天梯总体参数计算模型由质量规模计算子模型、年运载能力计算子模型、建造时间计算子模型和建造成本计算子模型四部分组成。其中，质量规模计算子模型和年运载能力计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型依赖质量规模计算子模型得到的计算结果。
所述质量规模计算子模型用于计算月球天梯缆绳质量和月球天梯配重质量，将二者相加即为月球天梯质量规模。月球天梯缆绳质量计算公式如下：
式中，mt为月球天梯缆绳质量，ρ为缆绳密度，A0为缆绳初始截面积，σ为缆绳应力，r0为月球半径，r为天梯顶端到月心的距离Rme为地月距离，G为万有引力常数，Me为地球质量，Mm为月球质量，ω为月球公转角速度。
月球天梯配重质量为
式中，mc为月球天梯配重质量。由公式(1)和公式(2)可得月球天梯的质量规模为
m＝mt+mc (3)
式中，m为月球天梯质量规模。
所述年运载能力计算子模型用于计算月球天梯每年能运载的货物的质量。计算公式为
式中，M表示月球天梯年运载能力，n1表示用于运送货物的攀爬器的个数，m1表示单个攀爬器每次能运送的货物的质量，T表示1年，t1表示攀爬器单次往返时间，方括号表示取整。
所述建造时间计算子模型用于计算建造月球天梯所需的时间，该模型需要用到质量规模计算子模型中得到的月球天梯配重质量mc。月球天梯建造时间计算公式为
式中，t表示月球天梯建造时间，l表示月球天梯长度，n2表示用于建造月球天梯的攀爬器的个数，v表示攀爬器运行速度。
所述建造成本计算子模型用于计算建造月球天梯所需的金钱成本，该模型需要用到质量规模计算子模型中得到的月球天梯缆绳质量mt。月球天梯建造成本由两部分组成，一部分是缆绳材料制造成本C1，另一部分是缆绳材料运输成本C2。缆绳材料制造成本计算公式为
C1＝C0·mt (6)
式中，C0表示制造单位质量缆绳材料所需的成本。
缆绳材料运输成本计算公式为
式中，CL为运载火箭向近地轨道发射单位质量有效载荷所需的成本，Isp为推进剂比冲，g0为标准重力加速度，Δv为速度增量。
由公式(6)和公式(7)可得月球天梯建造成本为
C＝C1+C2 (8)
式中，C表示月球天梯建造成本。
步骤二：建立综合评价模型
所述综合评价模型由层次分析法和灰色综合评价法两部分组成，二者属于并列关系。
所述层次分析法为通用方法，在本发明中用于计算各个评价指标的权重系数。使用层次分析法时须先两两比较各个评价指标的重要性，然后给出成对比较矩阵A，成对比较矩阵A的最大特征值对应的特征向量w即为各个评价指标的权重系数向量。
所述灰色综合评价法为通用方法，在本发明中用于计算各个评价指标与最优指标的关联度，关联度越大，说明指标越优。关联度计算公式为
式中，i表示第i个方案，j表示第j个指标，ξi(j)表示第i个方案中第j个指标与最优指标的关联度，表示所有方案中第j个指标的最优值，表示第i个方案中第j个指标的值，δ为参数，取δ＝0.5，min表示取最小值，max表示取最大值。由ξi(j)构成的矩阵E即为关联度矩阵。
步骤三：计算月球天梯总体方案综合得分
所述计算月球天梯总体方案综合得分就是利用步骤二中确定的权重系数和关联度，求得每种月球天梯总体方案的综合得分，计算公式为
R＝Ew (10)
式中，R为所有方案的综合得分向量。
运用以上方法，就可以对月球天梯总体方案开展高效、准确、全面地评价，解决了传统定性比较方法无法确定最优方案的问题。

Claims (4)

1.一种月球天梯总体方案综合评价方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：
步骤一：建立月球天梯总体参数计算模型
所述月球天梯总体参数计算模型由质量规模计算子模型、年运载能力计算子模型、建造时间计算子模型和建造成本计算子模型四部分组成；
其中，质量规模计算子模型和年运载能力计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型是并列关系，建造时间计算子模型和建造成本计算子模型依赖质量规模计算子模型得到的计算结果；四个子模型确定的四个总体参数即为月球天梯总体方案综合评价的评价指标；
所述质量规模计算子模型通过受力分析得到月球天梯的受力平衡方程，通过对平衡方程的求解得到月球天梯的质量规模；
所述年运载能力计算子模型以攀爬器个数、攀爬器运载能力、攀爬器运行速度以及运载高度为输入参数，计算求解月球天梯每年能运载的货物的质量；
所述建造时间计算子模型以质量规模计算子模型输出的月球天梯质量规模为输入参数，计算求解建造月球天梯所需的时间；
所述建造成本计算子模型以质量规模计算子模型输出的月球天梯质量规模为输入参数，计算求解建造月球天梯所需的金钱成本；
步骤二：建立综合评价模型
所述综合评价模型由层次分析法和灰色综合评价法两部分组成，二者属于并列关系；
该层次分析法为通用方法，在本发明中用于确定各个评价指标的权重系数；
该灰色综合评价法为通用方法，在本发明中用于确定各个评价指标相对于最优指标的关联度；
步骤三：计算月球天梯总体方案综合得分
所述计算月球天梯总体方案综合得分就是利用步骤二中确定的权重系数和关联度，求得每种月球天梯总体方案的综合得分；
通过以上步骤，达到了高效、准确、全面地对月球天梯总体方案开展定量评价的效果，解决了传统定性比较方法无法确定最优方案的问题。
2.根据权利要求1所述的一种月球天梯总体方案综合评价方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“建立月球天梯总体参数计算模型”，其建立的过程如下：
质量规模计算子模型建立过程：首先确定月球天梯缆绳和配重在太空中的受力情况，缆绳和配重总共受到4个力的作用，分别是地球引力、月球引力、离心力和缆绳张力，然后建立受力平衡方程，最后通过对平衡方程的求解得到缆绳质量和配重质量，将二者相加即为月球天梯质量规模；
年运载能力计算子模型建立过程：首先确定攀爬器个数，然后确定攀爬器运行速度和运载高度并求得单次往返时间，最后根据攀爬器个数和单次往返时间求得月球天梯年运载能力；
建造时间计算子模型建立过程：首先利用质量规模计算子模型求得的配重质量，然后确定用于建造月球天梯的攀爬器的个数、运载能力和运行速度，最后求得建造月球天梯所需的时间；
建造成本计算子模型建立过程：首先利用质量规模计算子模型求得月球天梯缆绳质量，然后根据缆绳质量、缆绳材料制造成本和运输成本求得建造月球天梯所需的金钱成本。
3.根据权利要求1所述的一种月球天梯总体方案综合评价方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“建立综合评价模型”，其建立的过程如下：
首先确定各个评价指标的相对重要性，然后利用层次分析法求得各个评价指标的权重系数；然后利用灰色综合评价法确定各个评价指标与最优指标之间的关联度。
4.根据权利要求1所述的一种月球天梯总体方案综合评价方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“计算月球天梯总体方案综合得分”，其计算的作法如下：
将步骤二中求得的权重系数和关联度相乘得到每个指标的综合得分，然后将所有指标的综合得分相加就得到了月球天梯总体方案综合得分。
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