CN112149224B - 飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质 - Google Patents

飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质，其中，方法包括：获取飞行器的干扰数据，所述干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的；根据所述干扰数据确定推进剂消耗量。本申请实施例提供的飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质能够对飞行器推进剂消耗量进行精确评估。

Description

飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质
技术领域
本申请涉及飞行器推进剂统计技术，尤其涉及一种飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质。
背景技术
运载火箭的动力是通过推进剂产生原动力，再通过系统和火箭发动机提供的。在运载火箭飞行过程中，推进剂的剩余量决定了飞行时间及可靠性，因此需要对推进剂的消耗量进行统计。传统方案中采用偏差上下限打靶统计的方式，涉及到的偏差和干扰均采用最大包络设计，打靶统计到的推进剂消耗量可以覆盖所有偏差工况，但存在加注量比实际消耗量偏保守的问题，统计结果不够准确。
发明内容
为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种飞行器推进剂消耗量计算方法、设备、飞行器及存储介质。
本申请第一方面实施例提供一种飞行器推进剂消耗量计算方法，包括：
获取飞行器的干扰数据，所述干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的；
根据所述干扰数据确定推进剂消耗量。
本申请第二方面实施例提供一种飞行器推进剂消耗量计算设备，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如上所述的方法。
本申请第三方面实施例提供一种飞行器，包括：如上所述的飞行器推进剂消耗量计算设备。
本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如上所述的方法。
本申请实施例提供的技术方案，通过获取飞行器的干扰数据，该干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的，然后根据该干扰数据确定推进剂消耗量，解决了传统方案采用偏差上下限打靶统计方式而导致推进剂消耗量偏保守的问题。本实施例提供的技术方案能够对推进剂消耗量进行精确评估，进而精简推进剂贮箱的容积，有效提升飞行器的运载能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例一提供的飞行器推进剂消耗量计算方法的流程图；
图2为本申请实施例二提供的飞行器推进剂消耗量计算方法的流程图；
图3为本申请实施例二提供的飞行器发动机推力线偏斜的概率分布直方图；
图4为本申请实施例二提供的飞行器质心随机横移的概率分布直方图；
图5为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中俯仰程序角跟踪曲线图；
图6为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中偏航程序角跟踪曲线图；
图7为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中三通道角偏差曲线图；
图8为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中姿态角速度曲线图；
图9为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中三通道姿控喷管开关曲线图；
图10为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中单个姿控喷管开关曲线图；
图11为传统方案与本申请实施例二所提供方案对推进剂消耗量计算结果的对比图；
图12为本申请实施例三提供的飞行器推进剂消耗量计算设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例提供一种飞行器推进剂消耗量计算方法，用于计算飞行器推进剂的消耗量。该飞行器可以为能够在大气层内飞行的航空器，如：飞艇、飞机等，也可以为在大气层外飞行的航天器，如：人造卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等，或者也可以为火箭。
本实施例以火箭为例，对飞行器推进剂消耗量计算方法的实现方式进行详细说明。本领域技术人员可以直接将本实施例提供的技术方案应用于其它飞行器中，也可以对本实施例所提供的技术方案进行适应性修改后应用于其它飞行器。
实际应用中，该飞行器推进剂消耗量计算方法可以通过计算机程序实现，例如，应用软件等；或者，该方法也可以实现为存储有相关计算机程序的介质，例如，U盘、云盘等；再或者，该方法还可以通过集成或安装有相关计算机程序的实体装置实现，例如，芯片、可移动智能设备等。本实施例提供的飞行器推进剂消耗量计算方法可以由飞行器推进剂消耗量计算设备中的处理器来执行。
图1为本申请实施例一提供的飞行器推进剂消耗量计算方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的飞行器推进剂消耗量计算方法，包括：
步骤101、获取飞行器的干扰数据，该干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的。
通过对固体火箭设计、生产和使用过程进行分析可知，影响固体火箭姿控推进剂消耗量的原因有两类：一类是系统偏差，如发射平台的固有系统误差、瞄准误差、飞行诸元装订误差、大地测量误差、恒风测量误差等，这些误差所引起的偏差是确定的；另一类是随机偏差，包括火箭质量特性偏差、发动机性能偏差、发动机推力线偏斜、横移、质心随机横移、气动特性偏差等。步骤101中所提到的偏差项可以为上述随机偏差。
预设概率模型为根据各偏差项预先设置的模型，可根据经验设定，模型中体现了隔偏差项对应的概率分布情况。
在飞行器飞行过程中，基于预设概率模型分布的各偏差项作用在飞行器上。
步骤102、根据干扰数据确定推进剂消耗量。
根据上述步骤101中获取到的飞行器的干扰数据确定推进剂消耗量。该步骤的具体方式可参照现有技术，本实施例不做详细说明，也不做限定。
本实施例提供的技术方案，通过获取飞行器的干扰数据，该干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的，然后根据该干扰数据确定推进剂消耗量，解决了传统方案采用偏差上下限打靶统计方式而导致推进剂消耗量偏保守的问题。本实施例提供的技术方案能够对推进剂消耗量进行精确评估，进而精简推进剂贮箱的容积，有效提升飞行器的运载能力。
实施例二
本实施例是在上述实施例的基础上，对飞行器推进剂消耗量计算方法进行优化。
图2为本申请实施例二提供的飞行器推进剂消耗量计算方法的流程图。如图2所示，本实施例提供的飞行器推进剂消耗量计算方法，包括：
步骤201、根据影响推进剂消耗量的偏差项建立概率模型。
对上述实施例中提到的各偏差项分别建立概率模型。综合各偏差项对飞行姿态的影响程度，对偏差项进行选定。例如：上述随机偏差中对推进剂消耗量影响较大的是发动机推力线偏斜和横移。推力线偏斜指发动机喷管端面中心和喉径中心的连线，与全箭纵轴的夹角，推力线横移指推力线和全箭轴线在空间的距离，这两项偏差大小与发动机规模、生产和装配工艺等有关，历来是各型号较为关注的偏差。则将发动机性能偏差中的推力线横移和偏斜各作为偏差项之一。
本实施例举例说明一种实现方式：偏差项包括飞行器质量特性偏差、发动机性能偏差、飞行器气动特性偏差，这些偏差项各自服从标准正态分布或随机分布。
假设第n项质量特性偏差参数ΔXn服从正态分布，记为：
Figure BDA0002679114610000051
其中，μ为均值，σ为标准差。
假设第m项质量特性偏差参数ΔYn服从随机分布，记为：
ΔYm～U(-err,+err)。
其中，err为偏差参数落入的区间参数。
本实施例建立的概率模型如下表1：
表1概率模型表
Figure BDA0002679114610000061
步骤202、获取飞行器的干扰数据，干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的。
飞行器的干扰数据包括：干扰力和干扰力矩中的至少一种。本实施例中，获取由各偏差项所引起的飞行器的干扰力和干扰力矩。干扰力、干扰力矩分别体现在飞行器的偏航通道、俯仰通道和滚转通道上。
一种具体的实现方式：在各偏差处于偏差概率组合模式下，获取由各偏差项所引起的飞行器的干扰力和干扰力矩，包括：
获取各偏差项根据预设概率模型所产生的随机数，然后根据各偏差项对应产生的随机数分别确定干扰力和干扰力矩。
步骤203、根据干扰数据确定推进剂消耗量。
基于上述步骤202，在各偏差处于偏差概率组合模式下，分别计算各干扰力的代数和以及各干扰力矩的代数和，并确定推进剂消耗量。
例如：与主发动机相关的干扰数据为：
(1)干扰力：
Fdsy1＝Fdsz1＝Peη，
其中，Fdsy1为发动机推力线偏斜在偏航通道产生的干扰力，Fdsz1发动机推力线偏斜在俯仰通道产生的干扰力，Pe为发动机推力，η为发动机推力线偏斜。
(2)干扰力矩：
Mdsx1＝Peη(ε+yc+Δyc)，
Figure BDA0002679114610000071
Mdsy2＝Mdsz2＝Pe(ε+yc+Δyc)，
其中，Mdsx1为发动机偏斜与质心综合横移在滚转通道产生的干扰力矩，ε为发动机推力线横移，yc为飞行器纵向质心，Δyc为飞行器纵向质心随机横移，Mdsy1为发动机偏斜在偏航通道产生的干扰力矩，Mdsz1为发动机偏斜在俯仰通道产生的干扰力矩，lp为发动机推力作用点距离飞行器质心距离，
Figure BDA0002679114610000072
为飞行器质心位置，Mdsy2为质心随机横移和发动机推力线横移在偏航通道产生的干扰力矩，Mdsz2为质心随机横移和发动机推力线横移在俯仰通道产生的干扰力矩。
与气动相关的干扰数据为：
(1)干扰力：
Figure BDA0002679114610000073
Figure BDA0002679114610000074
Fdsy3＝Cn0qSm，
Fdsz3＝Cz0qSm，
其中，Δα0为气动常值攻角，Fdsy2为常值攻角在俯仰通道产生的干扰力，
Figure BDA0002679114610000081
为法向力对常值攻角偏导数，q为动压，Sm为飞行器参考面积，Fdsz2为常值攻角在偏航通道产生的干扰力，
Figure BDA0002679114610000082
为横向力对侧滑角倒数，β为侧滑角，Fdsy3为气动常值项在俯仰通道产生的干扰力，Cn0为法向力常值项系数，Fdsz3为气动常值项在偏航通道产生的干扰力，Cz0为横向力常值项系数。
(2)干扰力矩：
Mdsx2＝Cmx0qSmlk，
Figure BDA0002679114610000083
Figure BDA0002679114610000084
Mdsy4＝Cmy0qSmlk，
Mdsz4＝Cmz0qSmlk，
其中，Mdsx2为滚转力矩系数常值项产生的干扰力矩，Cmx0为滚转气动力矩系数常值项，lk为参考长度，Mdsy3为常值攻角在偏航通道产生的干扰力矩，
Figure BDA0002679114610000085
为横向力对侧滑角偏导数，Mdsz3为常值攻角在俯仰通道产生的干扰力矩，
Figure BDA0002679114610000086
为法向力对攻角偏导数，Mdsy4为偏航力矩系数常值项产生的干扰力矩，Cmy0为偏航力矩系数常值项，Mdsz4为俯仰力矩系数常值项产生的干扰力矩，Cmz0为俯仰力矩系数常值项。
分别计算各干扰力的代数和以及各干扰力矩的代数和：
(1)干扰力的代数和：
Figure BDA0002679114610000087
(2)干扰力矩的代数和：
Figure BDA0002679114610000088
然后根据上述干扰力的代数和、干扰力矩的代数和计算推进剂消耗量，具体可采用本领域常用的方式，本实施例不做限定。
另外，本实施例还提供一种实现方式：在各偏差处于偏差极限组合模式下，根据干扰数据确定推进剂消耗量，可采用如下方式：根据各偏差项所引起的干扰力确定与各偏差项对应的干扰力，并计算各干扰力的均方和；根据各偏差项所引起的干扰力矩确定与各偏差项对应的干扰力矩，并计算各干扰力矩极限值的均方和；然后根据干扰力极限值的均方和和干扰力矩的均方和确定推进剂消耗量。
分别计算各干扰力的代数和以及各干扰力矩的均方和的具体方式如下：
(1)干扰力的均方和：
Figure BDA0002679114610000091
(2)干扰力矩的均方和：
Figure BDA0002679114610000092
在上述技术方案的基础上，以某固体运载火箭三级动力段和滑行段采用姿控喷管完成姿态控制为例，应用前述方法建立概率模型，如下表2所示：
表2某固体运载火箭的偏差项概率模型
Figure BDA0002679114610000093
以发动机推力线偏斜和质心随机横移为例：图3为本申请实施例二提供的飞行器发动机推力线偏斜的概率分布直方图。如图3所示，推力线偏斜呈正态分布。图4为本申请实施例二提供的飞行器质心随机横移的概率分布直方图。如图4所示，质心随机横移呈随机分布。
在建立概率模型之后，可采用本实施例所提供的上述方案确定推进剂消耗量。
为了验证上述方案的正确性，采用六自由度仿真完成某运载火箭三级动力段和滑行段姿态控制仿真验证，在仿真中考虑发动机性能偏差、控制上下限、推力线偏斜、横移和质心随机横移的影响，共完成了2560个子样的仿真分析。
图5为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中俯仰程序角跟踪曲线图，图6为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中偏航程序角跟踪曲线图，图7为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中三通道角偏差曲线图，图8为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中姿态角速度曲线图，图9为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中三通道姿控喷管开关曲线图，图10为本申请实施例二提供的采用六自由度仿真模型对飞行器进行仿真过程中单个姿控喷管开关曲线图。图5至图10展示了采用本实施例所提供的技术方案，使得对飞行器的控制跟踪更贴合实际情况，控制精度更高。图10中，K1至K8表示飞行器姿控系统中的1号喷管至8号喷管开关指令，该图中的横坐标为时间(s)。
图11为传统方案与本申请实施例二所提供方案对推进剂消耗量计算结果的对比图。进一步的，采用传统的偏差上下线组合的方式进行了2560种组合下的推进剂消耗量统计，与本实施例所提供方案的计算结果如图11和表3，可以看出本申请计算得到的推进剂消耗量的均值明显下降，验证了本实施例所提供的方法能够降低推进剂消耗量的统计结果。
表3推进剂消耗量统计对比
统计方法 均值(kg) 1σ(kg) 最大值(kg)
偏差组合 6.079 0.539 7.813
概率模型 3.358 1.016 7.256
实施例三
图12为本申请实施例三提供的飞行器推进剂消耗量计算设备的结构示意图。如图12所示，本实施例提供一种飞行器推进剂消耗量计算设备，包括：存储器31、处理器32、以及计算机程序。其中，计算机程序存储在存储器31中，并被配置为由处理器32执行以实现如上任一内容所提供的方法。
本实施例还提供一种飞行器，包括：如上任一内容所提供的飞行器推进剂消耗量计算设备。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上任一内容所提供的方法。
本实施例提供的设备、飞行器和存储介质具有与上述方法相同的技术效果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种飞行器推进剂消耗量计算方法，其特征在于，包括：
获取飞行器的干扰数据，所述干扰数据是基于影响推进剂消耗量的偏差项根据预设概率模型作用在飞行器上所产生的；所述干扰数据包括：干扰力和干扰力矩；获取飞行器的干扰数据，包括：获取由各偏差项所引起的飞行器的干扰力和干扰力矩；
根据影响推进剂消耗量的各偏差项所处的模式，基于所述干扰数据确定推进剂消耗量；
在各偏差处于偏差极限组合模式下，根据所述干扰数据确定推进剂消耗量，包括：
根据各偏差项所引起的干扰力确定与各偏差项对应的干扰力极限值，并计算各干扰力极限值的均方和；
根据各偏差项所引起的干扰力矩确定与各偏差项对应的干扰力矩极限值，并计算各干扰力矩极限值的均方和；
根据所述干扰力极限值的均方和和干扰力矩极限值的均方和确定推进剂消耗量；
在各偏差处于偏差概率组合模式下，获取由各偏差项所引起的飞行器的干扰力和干扰力矩，包括：
获取各偏差项根据预设概率模型所产生的随机数；
根据各偏差项对应产生的随机数分别确定干扰力和干扰力矩；
根据所述干扰数据确定推进剂消耗量，包括：
分别计算各干扰力的代数和以及各干扰力矩的代数和，并确定推进剂消耗量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取飞行器的干扰数据之前，还包括：
根据影响推进剂消耗量的偏差项建立概率模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述偏差项包括：飞行器质量特性偏差、发动机性能偏差、飞行器气动特性偏差。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述飞行器质量特性偏差、发动机性能偏差、飞行器气动特性偏差各自服从标准正态分布或随机分布。
5.一种飞行器推进剂消耗量计算设备，其特征在于，包括：
存储器；
处理器；以及
计算机程序；
其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
6.一种飞行器，其特征在于，包括：如权利要求5所述的飞行器推进剂消耗量计算设备。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
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