CN112597641A - 一种运载器着陆稳定性优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种运载器着陆稳定性优化方法，涉及运载器支腿式着陆缓冲技术领域。本发明以运载器可垂直起降的支腿式着陆缓冲系统为研究对象，通过将运动系统之间复杂的交互作用采用数学模型等效处理，并将数学模型中的设计参数实现参数化建模，然后针对经过参数化处理的结构设计参数进行优化设计，获取影响着陆稳定性的关键因素。基于获取的关键因素物理量特点，确立其概率分布准则，进行随机打靶分析，评估关键因素对着陆稳定性影响的权重，解决运载器支腿式着陆缓冲系统的结构优化设计问题和无法开展地面有效试验验证的设计难题。

Description

一种运载器着陆稳定性优化方法

技术领域

本发明涉及运载器的着陆缓冲技术领域，尤其涉及一种运载器着陆稳定性优化方法，解决运载器支腿式着陆缓冲系统的结构优化设计问题和无法开展地面有效试验验证的设计难题，通过快速、有效地动力学分析、迭代优化、参数评估，能极大地缩短运载器支腿式着陆缓冲系统的设计研发周期。

背景技术

运载器着陆缓冲系统在返回地面前距地面一定高度时展开，通过与地面的接触碰撞，利用着陆缓冲系统内部的耗能部件结构实现运载器稳定着陆。运载器在着陆前，会受地面着陆场风载荷，空气阻力，地面摩擦阻力，着陆水平速度、垂直速度、滚转角速度、偏航角速度、俯仰角速度及横向初始姿态等因素影响，这使得运载器支腿式着陆缓冲系统在着陆过程中会出现多种情况：单腿着陆、两腿着陆及四腿同时着陆。上述每种着陆情况，运载器的着陆姿态、着陆缓冲系统的承载有很大差异，有些初始条件会使得运载器出现翻转，导致着陆失败。

为解决上述运载器着陆过程中的稳定性问题，有必要进行运载器着陆稳定性分析及优化设计。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种运载器着陆稳定性优化方法，为运载器着陆缓冲系统快速、高效的迭代设计提供方法支撑和理论指导，解决运载器着陆缓冲系统的着陆稳定性问题，保证运载器可重复使用领域的工程实现。

本发明的技术方案是：一种运载器着陆稳定性分析与优化设计方法，步骤如下：

步骤一：建立运载器着陆缓冲系统结构的几何模型，并对结构设计参数中的关注变量实现参数化；根据运载器着陆缓冲系统结构的工作原理，建立连接参数、约束参数、运动参数及力元素等效模型，并对所关注的设计参数变量实现参数化；

步骤二：基于步骤一建立的参数化几何模型、参数化数学等效模型，建立参数化的着陆缓冲系统动力学模型；

步骤三：基于步骤二建立的动力学模型，针对所有可能会影响着陆性能的设计变量，进行动力学分析和优化设计，确定主要关键影响参数，并结合其物理量意义或特点建立其参数概率分布准则；

步骤四：基于步骤二建立的动力学模型，结合步骤三关键影响参数的概率分布准则，进行随机打靶分析，并基于分析结果，综合评估主要关键参数对着陆缓冲性能的影响权重。

进一步的，步骤一中将运载器本体、着陆缓冲系统中的部件均视作刚体，建立参数化几何模型。运载器着陆缓冲系统由运载器本体和着陆缓冲系统通过转动副、转动副连接。着陆缓冲系统由脚撑、主支柱、辅助支撑连接，且沿运载器本体周向正交布局，主支柱与辅助支撑由球铰副连接，脚撑与主支柱由球铰副连接。

进一步的，步骤一中运动参数包含运载器本体横向姿态偏差Θ，着陆滚转角速度ω_x、偏航角速度ω_y、俯仰角速度ω_z，着陆垂直速度V_x、水平速度V_y，水平速度V_z。力元素参数包含地面着陆场风载荷W，主支柱内部缓冲器缓冲力f、摩擦力f_f、耗能部件f_w。

进一步的，步骤一中主支柱包含油气结构和耗能部件，用于吸收运载器着陆缓冲过程中的能量。依据运载器着陆缓冲系统连接关系及着陆工作原理，对所有部件间的连接、约束、运动参数及力元素采用数学等效模型建模并对所有参数变量实现参数化，结合几何模型一起搭建整个运载着陆缓冲系统的动力学模型。

进一步的，步骤二中以运载器本体质心姿态θ、w、v及脚撑与地面的接触碰撞力F_c作为设计目标，对建立的动力学模型进行单因素的动力学分析和优化设计，确定所有参数变量对设计目标的敏感度，获取影响设计目标的主要关键因素。上述关键因素中与长度相关量、摩擦系数一般假设为均匀分布，与力元素相关量一般假设为正态分布且置信度一般设为3σ。

进一步的，步骤四中基于步骤二建立的动力学模型，结合步骤三参数概率分布情况，进行多工况(单腿着陆、两腿着陆、四腿着陆)、多参数、多目标(姿态角、着陆缓冲碰撞力)的动力学随机打靶分析。根据分析结果计算各个参数化变量与优化目标之间的相关性，并对相关性进行降序或升序排列，综合评估主要关键参数对着陆缓冲性能的影响权重。

本发明的有益效果：本发明为运载器着陆缓冲系统快速、高效的迭代设计提供方法支撑和理论指导，解决运载器着陆缓冲系统的着陆稳定性问题，保证运载器可重复使用领域的工程实现。本发明以运载器可垂直起降的支腿式着陆缓冲系统为研究对象，通过将运动系统之间复杂的交互作用采用数学模型等效处理，并将数学模型中的设计参数实现参数化建模，然后针对经过参数化处理的结构设计参数进行优化设计，获取影响着陆稳定性的关键因素。基于获取的关键因素物理量特点，确立其概率分布准则，进行随机打靶分析，评估关键因素对着陆稳定性影响的权重，解决运载器支腿式着陆缓冲系统的结构优化设计问题和无法开展地面有效试验验证的设计难题。

附图说明

图1为本发明的稳定性分析与优化设计方法流程图；

图2为本发明的运载器着陆缓冲系统示意图，其中2(a)为侧视图，2(b)为俯视图；

图3为本发明的运载器着陆缓冲系统与地面相互作用工况示意图；

图4为本发明的主支柱耗能部件位移-载荷作用曲线示意图；

图5为本发明的脚撑与地面接触碰撞力变化曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种运载器着陆稳定性分析与优化设计方法的流程见图1，包括以下步骤：

步骤一：建立运载器着陆缓冲系统结构的几何模型，并对结构设计参数中的预先关注变量实现参数化；运载器着陆缓冲系统由运载器本体1和着陆缓冲系统通过转动副5、转动副6连接。着陆缓冲系统由脚撑4、主支柱2、辅助支撑3连接，且沿运载器本体周向正交布局，主支柱2与辅助支撑3由球铰副连接，脚撑4与主支柱2由球铰副连接。主支柱2包含油气结构和耗能部件，用于吸收运载器着陆缓冲过程中的能量，见图2。根据运载器着陆缓冲系统结构的工作原理，建立连接参数、约束参数、运动参数及力元素等效模型，并对所预先所关注的设计参数变量实现参数化；依据运载器着陆缓冲系统连接关系及着陆工作原理示意图，将运载器本体1、着陆缓冲系统中的部件均视作刚体，所有设计变量实现参数化；运载器本体1与着陆缓冲系统的连接约束5、6以及主支柱2与辅助支撑3的连接约束7，均采用数学等效模型，约束三个方向平动自由度，释放三个转动自由度；脚撑4与主支柱2的连接约束采用固定副，约束所有的平动、转动自由度。主支柱与运载器本体的连接点(P_{Up_X},P_{Up_Y},P_{Up_Z})、辅助支撑与运载器本体连接点(P_{Mid_X},P_{Mid_Y},P_{Mid_Z})、主支柱与脚撑连接点(P_{Down_X},P_{Down_Y},P_{Down_Z})、主支柱外筒半径及长度(R_Outer，L_Outer)、主支柱活塞杆半径及长度(R_Inner，L_Inner)、辅助支撑半径及长度(R_Fuzhu，L_Fuzhu)、脚撑半径R_Foot、油气最大行程S_max等几何模型参数实现变量参数化。

运载器本体横向姿态偏差Θ、着陆滚转角速度ω_x、偏航角速度ω_y、俯仰角速度ω_z、着陆垂直速度V_x、水平速度V_y，水平速度V_z等运动参数实现变量参数化，运载器与地面的相互作用方式分为三种：四腿着陆、两腿着陆、单腿着陆，见图3。

步骤二：基于步骤一建立的参数化几何模型、参数化数学等效模型，建立参数化的着陆缓冲系统动力学模型；运载器着陆缓冲过程中，施加力元素如当地重力加速度a，方向为竖直向下，着陆场风载荷F_w，作用于运载器本体质心，方向垂直于运载器轴线。主支柱内部缓冲器力学模型可分解为四个部分：

f＝f_h+f_a+f_f+f_s+f_w (1)

其中，f_s为缓冲器结构限制力，f_a为缓冲器弹性力，f_h为缓冲器油液阻尼力，f_f为缓冲器内部摩擦力，f_w为耗能部件缓冲力。

结构限制力f_s可以由下式表达：

其中，K_S缓冲器轴向拉压刚度；S₀为缓冲器的初始行程，S_max为缓冲器的最大压缩行程。

缓冲器弹性力f_a可以由下式表达：

其中，V₀为缓冲器空腔初始体积；A_a为有效压气面积；N为气体多变系数；Patm为大气常压。

缓冲器油液阻尼力f_h可以由下式表达：

其中，ρ为油液密度；A_h为压油面积；A₊为正行程油孔面积；A_-为反行程油孔面积；C_d为油孔的缩流系数。

缓冲器内部摩擦力f_f可以由下式表达：

其中，μ_m为摩擦系数。

耗能部件缓冲力f_w为单向过程，通过耗能部件压缩吸收能耗，被压缩后不可恢复逆转，其位移与载荷曲线见图4。

步骤三：基于步骤二建立的动力学模型，针对所有预估可能会影响着陆性能的设计变量，进行动力学分析和优化设计，确定主要关键影响参数，并结合其物理量意义或特点获得的影响运载器着陆稳定性的关键参数概率分布准则，与长度相关量、摩擦系数一般假设为均匀分布，与力元素相关量一般假设为正态分布且置信度一般设为3σ。

步骤四：基于步骤二建立的动力学模型，结合步骤三关键影响参数的概率分布准则，进行随机打靶分析，并基于分析结果，综合评估主要关键参数对着陆缓冲性能的影响权重。采用式(6)分析参化变量与优化目标(如脚撑与地面接触碰撞力见图5)之间的相关性，并对相关性进行降序或升序排列，综合评估主要关键参数对着陆缓冲性能的影响权重。

式中x_i为参数化变量，y_i为优化设计目标变量，

均为变量的加权平均值。

通过本发明，可实现运载器着陆缓冲系统的稳定性分析与优化设计，本发明的方法已运用于我国可垂直起降运载器的缓冲着陆系统的结构设计中，为运载器着陆缓冲系统的实施应用奠定了基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：建立运载器着陆缓冲系统结构的几何模型，并对结构设计参数中的预先关注变量实现参数化；根据运载器着陆缓冲系统结构的工作原理，建立连接参数、约束参数、运动参数及力元素等效模型，并对所预先所关注的设计参数变量实现参数化；

步骤二：基于步骤一建立的参数化几何模型、参数化数学等效模型，建立参数化的着陆缓冲系统动力学模型；

步骤三：基于步骤二建立的动力学模型，针对所有预估可能会影响着陆性能的设计变量，进行动力学分析和优化设计，确定主要关键影响参数，并结合其物理量意义或特点建立其参数概率分布准则；

步骤四：基于步骤二建立的动力学模型，结合步骤三关键影响参数的概率分布准则，进行随机打靶分析，并基于分析结果，综合评估主要关键参数对着陆缓冲性能的影响权重。

2.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，步骤一中所述的几何模型包括运载器几何模型和着陆缓冲系统几何模型，步骤一中所述的参数化指对所述模型的设计赋予参数变量；

所述的运载器几何模型包含质量、惯量、外包络长度及直径；

所述的着陆缓冲系统几何模型包含支腿张开角度、主支柱套筒及级数、辅着陆腿关节、油液缓冲器、压溃式缓冲器。

3.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，在步骤一几何模型基础上，根据结构部件间的实际运动状态和工作原理，建立连接、运动、约束及外力。

4.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，步骤二中建立的动力学模型的所有参数变量完全实现参数化，根据初始条件的变化实现模型自动更新。

5.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，步骤三中对所有设计参数变量进行单因素动力学分析和优化设计，评估每个因素对运载器着陆性能的影响程度，以此确定影响着陆稳定性的关键因素。

6.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，步骤四中的随机打靶分析，分析内容包括多参数、多目标优化设计。

7.如权利要求1所述的一种运载器着陆稳定性优化方法，其特征在于，步骤四中所述的评估影响权重指关键影响因素对运载器着陆姿态及在该条件下与地面接触碰撞力大小的影响程度的相对比例。

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