CN112989559A - 一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法 - Google Patents

一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法,该分析评估方法包括以下步骤:构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数；根据运载能力目标参数函数计算运载火箭的体系能力值；根据计算的体系能力值计算运载火箭的体系贡献率。上述分析评估方法能够对运载火箭的体系贡献率进行评估和量化，为运载火箭立项论证、研制建设等提供了量化评估参考。

Description

一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法
技术领域
本发明属于航天发射运输系统技术领域，具体涉及一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法。
背景技术
运载火箭是航天运输体系的重要组成部分，也是整个航天体系建设及其能力形成的重要保障。运载火箭的体系效能主要体现在以下四个方面：一是从发射任务看，运载火箭为各类卫星发射、载人航天任务、深空探测等提供进入空间工具；二是从发射轨道看，运载火箭为典型近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道、大椭圆轨道、中高轨道等提供进入空间工具；三是从发射载荷看，运载火箭为单星、串联多星、并联多星或星座组网等提供进入空间工具；四是从发射要求看，运载火箭为高精度发射、快速发射、机动发射、高密度发射等提供进入空间工具。
体系贡献率是指在典型应用场景下，某项系统在体系完成规定使命任务时，对体系整体功能属性(主要指体系能力或体系效能)发挥的贡献作用大小。对新上项目的体系贡献率，一般为采用该项目的体系属性值和未采用该装备的体系属性值的差值与未采用该装备的体系属性值的比值。但是，现有技术中还没有一种对运载火箭的体系贡献率进行评估的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法，能够对运载火箭的体系贡献率进行评估和量化。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法，该分析评估方法包括以下步骤：
构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数：
Figure BDA0002904881250000021
其中，C为能力参数，量纲为公斤；P为成本参数，量纲为万元；k为体系能力系数，量纲为万元/公斤；ns为系列化系数；ni为智能化系数；ne为环境系数；nc为发射周期系数；
根据运载能力目标参数函数计算运载火箭的体系能力值；
根据计算的体系能力值计算运载火箭的体系贡献率，体系贡献率的计算公式为：
T＝(N’-N)×100％/N (2)；
其中，T为体系贡献率，N’为新一代运载火箭的体系能力，N为现役运载火箭的体系能力。
更进一步地，在构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数的步骤中，能力参数为运载能力值、入轨精度折算值以及整流罩包络折算值三部分的综合值。
更进一步地，能力参数的计算公式为：
Figure BDA0002904881250000022
其中，
Figure BDA0002904881250000023
为载荷重量，Cpr为入轨精度折算运载能力，Cfa为整流罩包络折算运载能力。
更进一步地，入轨精度折算运载能力的计算公式为：
Cpr＝5(150-|Δa|)+[0.3(30-|Δhp|)]5+[70(0.21-|Δi|)]3 (4)；
其中，|Δa|为半长轴偏差，量纲为公里；|Δhp|为近地点高度偏差，量纲为公里；|Δi|为轨道倾角偏差，量纲为度。
更进一步地，成本参数的计算公式为：
P＝Procket+Plaunch+Preliability+Pothers (5)；
其中，Procket为运载火箭的成本价格，量纲为万元；Plaunch为除运载火箭的成本外，组织一次发射的发射成本；Preliability为可靠性折算的成本；Pothers为其它成本。
有益效果：
本发明的液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法，包括构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数和根据运载能力目标参数函数计算运载火箭的体系贡献率，采用上述步骤能够对运载火箭体系贡献率进行评估和量化，采用解析函数计算，计算方法简单，可以快速迭代计算、便于开展总体论证工作，综合评估了运载火箭的战技性能、经济性、使用性等，可以综合衡量运载火箭在一个体系中的整体效能，为运载火箭的立项论证、研制建设等提供了量化评估参考。
附图说明
图1为本发明的液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法的流程图；
图2为液体运载火箭评估体系的层次结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见附图1，本发明实施例提供了一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法，该分析评估方法按照图2所示的结构和层次进行评估，共分为目标层、准则层和方案层三个层次。第一层为目标层，主要是对满足载荷发射需求的评估，包括对运载能力、目标轨道、入轨精度、整流罩包络和发射成本等。在满足能力条件的前提下，第二层(准则层)主要关注火箭的战技性能、经济性以及操作、安全、维护等使用性能，准则层主要体现比选的原则和分类等思路。第三层为方案层，是比选分析的实际操作层，即将第二层的原则细化到可操作的具体方案；战技性能方面涉及运载能力、入轨精度、整流罩包络、可靠性、智能化、测发周期等；经济性方面涉及运载能力、入轨精度、整流罩包络、可靠性、火箭成本、发射成本、其它成本、智能化、测发周期等；使用性方面涉及智能化、测发周期、环境及人员安全等。
该分析评估方法具体包括以下步骤：
步骤S10，构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数，该参数为无量纲参数，其计算公式如下：
Figure BDA0002904881250000041
其中，C为能力参数，能力参数为运载能力值、入轨精度折算值以及整流罩包络折算值三部分的综合值，量纲为公斤；
P为成本参数，包括火箭成本、发射成本、可靠性折算、其它成本等的综合值，量纲为万元；
k为体系能力系数，量纲为万元/公斤；ns为系列化系数，表征系列化、模块化程度的高低，选取原则见表1；
ni为智能化系数，表征火箭的智能化、自动化程度高低，特别是涉及危险操作时的人员安全性考虑，选取原则见表2；
ne为环境系数，表征火箭对自然环境、人员环境的友好性，主要考虑推进剂因素，选取原则见表3；
nc为发射周期系数，表征发射周期对体系能力的影响，周期越短能力越高，选取原则见表4；
k的取值与不同的发射轨道有关系，一般运载火箭的体系贡献率评估过程中，比较的都是同等条件下(相同轨道)的能力提升(贡献率)，因此k的取值大小，并不影响相对的能力提升贡献率评估结果；
Figure BDA0002904881250000051
表1系列化系数选取表
Figure BDA0002904881250000052
表2智能化系数划分表
Figure BDA0002904881250000061
表3环境系数划分表
系数划分 取值
发射周期小于15天 4-5
发射周期15-20天内 2-3
发射周期大于等于25天 0-1
表4发射周期系数划分表
步骤S20，根据运载能力目标参数函数计算运载火箭的体系能力值；
步骤S30，根据计算的体系能力值计算运载火箭的体系贡献率，体系贡献率的计算公式为：
T＝(N’-N)×100％/N (2)；
其中，T为体系贡献率，N’为新一代运载火箭的体系能力，N为现役运载火箭的体系能力。
采用上述步骤能够将运载火箭体系贡献率进行评估和量化，通过解析函数进行计算，计算方法简单，可以快速迭代计算、便于开展总体论证工作，综合评估了运载火箭的战技性能、经济性、使用性等，可以综合衡量运载火箭在一个体系中的整体效能，为运载火箭的立项论证、研制建设等提供了量化评估参考。
在上述分析评估方法中，能力参数的计算公式为：
Figure BDA0002904881250000071
其中，
Figure BDA0002904881250000072
为载荷重量；Cpr为入轨精度折算运载能力，理论上，入轨精度越高，代表能力越强，对于载荷越有利，不同类型的轨道，入轨精度评判也不同；Cfa为整流罩包络折算运载能力，即，如果两型火箭在同一特定轨道的运载能力相同，但是一型火箭能够提供更大的整流罩包络空间，应在体系贡献度上有所体现，并且在运载火箭体系能力计算中，一般折算为扣除值：GTO(Geostationary Transfer Orbit，地球同步转移轨道)运载能力2000kg及以下的，至少具备3.35m直径整流罩能力，如无则取-50kg；GTO运载能力2000kg以上的，并小于等于4000kg的，至少具备4.2m直径整流罩能力，如无则取-150kg；GTO运载能力4000kg以上的，至少具备5.2m直径整流罩能力，如无则取-300kg。
对于地球同步转移轨道而言，入轨精度折算运载能力的计算公式可以为：
Cpr＝5(150-|Δa|)+[0.3(30-|Δhp|)]5+[70(0.21-|Δi|)]3 (4)；
其中，|Δa|为半长轴偏差，量纲为公里；|Δhp|为近地点高度偏差，量纲为公里；|Δi|为轨道倾角偏差，量纲为度；上述各指标均为火箭的入轨精度指标。
更进一步地，成本参数的计算公式为：
P＝Procket+Plaunch+Preliability+Pothers (5)；
其中，Procket为运载火箭的成本价格，量纲为万元，可以为由采购方和承制方共同确定的单发火箭采购价格；Plaunch为除运载火箭的成本外，组织一次发射的发射成本，可以包括发射场使用、推进剂、用气量、人员、测控、测量船等；Preliability为可靠性折算的成本，原则上来说，如果两发火箭的成本价格一样，可靠性高的火箭性价比更高；Pothers为其它成本，如落点安全控制、发射保险等。
上述成本中，Plaunch应由发射组织方(发射场系统)协调相关参与方(测控系统等)，共同测算后给出；Preliability可靠性折算费用，可由下面公式计算得到：
Preliability＝(1.0-R)(Procket+Plaunch) (6)；
上式中，R为火箭的设计可靠度。
以下将结合一个具体的实施例来详细说明。
运载火箭体系贡献率的评估，主要体现在新一代运载火箭对现役运载火箭体系能力的提升上，包括填补空白或某一具体体系贡献率值。
新一代运载火箭和现役运载火箭的运载能力如下表5所示。
运载火箭 GTO运载能力(kg)
现役运载火箭 12000
新一代运载火箭 8000
表5运载火箭的运载能力
入轨精度是衡量运载火箭性能和提升性价比的重要参数，现役运载火箭和新一代运载火箭的入轨精度见下表6。
Figure BDA0002904881250000081
表6运载火箭的入轨精度
根据权值计算公式(4)，运载火箭入轨精度折算后的运载能力参数Cpr见下表7。
运载火箭 GTO精度折算
现役运载火箭 0
新一代运载火箭 0
表7入轨精度折算的能力参数
根据整流罩包络折算方法，整流罩包络折算的Cfa见表8。
Figure BDA0002904881250000091
表8整流罩包络折算的能力参数
成本P主要考虑火箭成本和发射成本，估算结果见下表9。
运载火箭 火箭成本 发射成本 可靠性 P<sub>reliability</sub>
现役运载火箭 60000 26000 0.98 1720
新一代运载火箭 40000 10000 0.97 1500
表9火箭成本、发射成本及可靠性成本参数(万元)
ns、ni、ne、nc四个体系能力相关系数，根据权值选取方法，评估汇总见下表10。
运载火箭 系列化n<sub>s</sub> 智能化n<sub>i</sub> 环境n<sub>e</sub> 周期n<sub>c</sub>
现役运载火箭 4 9 14 0
新一代运载火箭 0 14 14 2
表10体系能力参数
结合需求和初步使用要求，初步计算发射GTO载荷的运载火箭体系能力如表11所示。分析果表明：对于发射5.0t～8.0t GTO载荷，新一代运载火箭相对于现役运载火箭，贡献率为46.6％。
运载火箭 N K C P
现役运载火箭 1.317 8 8000 61720
新一代运载火箭 1.930 8 7700 41500
表11各体系能力计算
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液体运载火箭体系贡献率的分析评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数：
Figure FDA0002904881240000011
其中，C为能力参数，量纲为公斤；P为成本参数，量纲为万元；k为体系能力系数，量纲为万元/公斤；ns为系列化系数；ni为智能化系数；ne为环境系数；nc为发射周期系数；
根据运载能力目标参数函数计算运载火箭的体系能力值；
根据计算的体系能力值计算运载火箭的体系贡献率，体系贡献率的计算公式为：
T＝(N’-N)×100％/N (2)；
其中，T为体系贡献率，N’为新一代运载火箭的体系能力，N为现役运载火箭的体系能力。
2.如权利要求1所述的分析评估方法，其特征在于，在构建用于表征运载火箭体系能力的运载能力目标参数函数的步骤中，能力参数为运载能力值、入轨精度折算值以及整流罩包络折算值三部分的综合值。
3.如权利要求2所述的分析评估方法，其特征在于，能力参数的计算公式为：
Figure FDA0002904881240000012
其中，
Figure FDA0002904881240000013
为载荷重量，Cpr为入轨精度折算运载能力，Cfa为整流罩包络折算运载能力。
4.如权利要求3所述的分析评估方法，其特征在于，入轨精度折算运载能力的计算公式为：
Cpr＝5(150-|Δa|)+[0.3(30-|Δhp|)]5+[70(0.21-|Δi|)]3 (4)；
其中，|Δa|为半长轴偏差，量纲为公里；|Δhp|为近地点高度偏差，量纲为公里；|Δi|为轨道倾角偏差，量纲为度。
5.如权利要求1-4任一项所述的分析评估方法，其特征在于，成本参数的计算公式为：
P＝Procket+Plaunch+Preliability+Pothers (5)；
其中，Procket为运载火箭的成本价格，量纲为万元；Plaunch为除运载火箭的成本外，组织一次发射的发射成本；Preliability为可靠性折算的成本；Pothers为其它成本。
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