CN114962076B - 液体运载火箭级间冷分离时序优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种液体运载火箭级间冷分离时序优化方法及装置，优化方法包括：根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻；根据级间解锁时刻计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将该相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻；结合上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间确定上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻；结合级间解锁时刻确定正推固体火箭关闭时刻；进而结合正推固体火箭的工作时长，得到正推固体火箭启动时刻，完成级间冷分离时序的优化。本申请能够提高级间冷分离过程中的安全性。

Description

液体运载火箭级间冷分离时序优化方法及装置

技术领域

本申请属于航天发动机试验领域，具体涉及一种液体运载火箭级间冷分离时序优化方法及装置。

背景技术

运载火箭按其所用的推进剂来分，可以分为固体火箭、液体火箭和固液混合型火箭三种类型。其中，液体火箭因具有比冲高，推力调节灵活，可多次启动等优点而被广泛使用。然而，由于液体火箭的燃料和氧料均为液体，因此其在启动时不能存在与其飞行方向相反方向的过载，以避免气泡混入液体中导致发动机启动过程出现问题。这一问题在液体火箭级间分离过程中尤为明显。

在级间分离前下面子级发动机残余推力降低至一定值时，级间冷分离过程中和级间解锁后上面子级发动机启动之前，火箭或者上面子级可能会在气动阻力作用下产生负向过载，进而引起液体燃料和氧料的晃动并夹杂气体，导致发动机启动过程中出现问题。因此需要在上面子级安装额外的推进能源以维持过载，同时为了提高运载能力，额外的推进能源不能过大。在实际应用中，一般采用正推固体小火箭来提供推力。这样，级间分离时序就涉及到多个需要确定的时刻，且既要满足运载火箭下面子级发动机关机后的上面子级燃料和氧料的正向过载，又要在尽量短的时间内使上面子级和下面子级的相对位移达到上面子级发动机的启动距离，使得液体火箭级间冷分离时序确认过程非常复杂。因此，合理确定液体运载火箭的级间冷分离时序是非常重要且必要的。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种液体运载火箭级间冷分离时序优化方法及装置。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，所述冷分离时序包括下面子级发动机关机时刻、正推固体火箭启动时刻、级间解锁时刻、上面子级发动机启动时刻、上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻以及正推固体火箭关闭时刻，所述液体运载火箭级间冷分离时序优化方法包括以下步骤：

根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻；

根据级间解锁时刻计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻；

根据上面子级发动机启动时刻以及上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间时间确定上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻；

根据级间解锁时刻和上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻确定正推固体火箭关闭时刻；

根据正推固体火箭关闭时刻和正推固体火箭的工作时长，得到正推固体火箭启动时刻，完成对液体运载火箭级间冷分离时序的优化。

上述液体运载火箭级间冷分离时序优化方法中，所述根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻的具体过程为：

假设上面子级沉底要求所需的加速度为a_need，上面子级的质量为m₂，下面子级的质量为m₁，则下面子级发动机关机后

时刻上面子级所需要的过载力为a_need(m₁+m₂)+F_q；

如果下面子级发动机关机后

时刻的残余推力F_fdj1满足F_fdj1＞a_need(m₁+m₂)+F_q，且下面子级发动机关机后/>

时刻的残余推力F_fdj2满足F_fdj2≤a_need(m₁+m₂)+F_q，则/>

时刻即为级间不解锁时正推固体火箭必须启动的时刻；

如果级间解锁时刻早于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第一条件的约束下需要保证T₅≥T₄，T₂≥T₁；

其中，第一条件为级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt，其中，T_zt＝T₅-T₁；

如果级间解锁时刻晚于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第二条件的约束下需要保证T₅≥T₄，/>

其中，第二条件为在

时刻发动机残余推力需要满足上面子级的沉底要求，正推固体火箭必须已经启动；

其中，T₁表示正推固体火箭启动时刻，T₂表示级间解锁时刻，T₃表示上面子级发动机启动时刻，T₄表示上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻，T₅表示正推固体火箭关闭时刻。

进一步地，所述根据级间解锁时刻计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻的具体过程为：

计算下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移；

计算上面子级自级间解锁时刻之后任意时刻的速度和总位移；

根据下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移与上面子级自级间解锁时刻之后的总位移，计算得到下面子级与上面子级之间的相对位移；

将下面子级与上面子级之间的相对位移与预设相对位移进行比较，并根据比较结果确定上面子级发动机启动时刻。

更进一步地，所述计算下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移的具体过程为：

计算级间解锁后下面子级受到的合外力；

根据牛顿第二运动定律和下面子级受到的合外力，计算级间解锁后下面子级的加速度；

根据速度和加速度的关系式，计算得到级间解锁后的每一时刻下面子级的速度和每时间间隔Δt内下面子级的位移；

根据级间解锁后每时间间隔Δt内下面子级的位移，计算得到下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移。

更进一步地，所述级间解锁后下面子级受到的合外力为：

式中，F表示级间解锁后下面子级受到的合外力，

表示从级间解锁时刻T₂开始下面子级发动机的残余推力，/>

且

表示从下面子级发动机关机时刻T₀开始下面子级发动机的残余推力，

表示从级间解锁时刻T₂开始分离能源对下面子级产生的推力，/>

且/>

表示分离能源在其工作总时长T_ft内对下面子级产生的推力，/>

下标k为：k＝min(t_fdj-T₂/Δt,t_ft)，t_fdj＝T_fdj/Δt，t_ft＝T_ft/Δt，T_fdj表示自下面子级发动机关机时刻T₀至下面子级发动机的残余推力消失所需的时间，T_ft表示分离能源的工作总时长，Δt表示将下面子级发动机的残余推力进行离散的时间间隔，t_fdj表示将T_fdj离散为各个时间间隔的个数，t_ft表示将T_ft离散为各个时间间隔的个数；

所述级间解锁后下面子级的加速度为：

式中，

表示级间解锁后下面子级的加速度，m₁表示下面子级的质量；

所述下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移为：

式中，

表示下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移，/>

表示级间解锁后每时间间隔Δt内下面子级的位移，/>

更进一步地，所述下面子级与上面子级之间的相对位移为：

式中，Δs表示下面子级与上面子级之间的相对位移；

表示上面子级自级间解锁时刻之后总位移/>

其中，F_q表示上面子级所承受的气动阻力，m₂表示上面子级的质量。

进一步地，所述根据级间解锁时刻和上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻确定正推固体火箭关闭时刻的具体过程为：

根据级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt以及T₅≥T₄，T₂≥T₁，得到正推固体火箭关闭时刻T₅满足：

0≤T₅-T₄≤T_zt-(T₄-T₂)，

式中，上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄为：

上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间。

更进一步地，所述根据正推固体火箭关闭时刻和正推固体火箭的工作时长，得到正推固体火箭启动时刻的过程为：

正推固体火箭启动时刻T₁为：

T₁＝T₅-T_zt。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种液体运载火箭级间冷分离时序优化装置，其包括存储器以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行上述任一项所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法。

根据本申请实施例的第三方面，本申请还提供了一种存储介质，其上存储有可执行程序，当可执行程序被调用时，执行上述任一项所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法中的步骤。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请提供的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法通过依次确定冷分离时序中的级间解锁时刻、上面子级发动机启动时刻、上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻、正推固体火箭关闭时刻以及正推固体火箭启动时刻，本申请能够快速地确定液体运载火箭级间冷分离的时序，得到使液体运载火箭失控时间最短的级间解锁时间，从而提高液体运载火箭级间冷分离过程中的安全性。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种运载火箭级间冷分离时序优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

液体运载火箭级间冷分离具有诸多优点，然而在冷分离过程中，下面子级发动机关机后，箭体处于高速飞行而姿控系统停止工作的状态；且由于运载火箭在生产、制造和装配中存在着多种偏差，使得运载火箭在级间冷分离时面临着强扰动、多偏差等危及分离安全的因素，上面子级和下面子级存在着发生磕碰的风险。因此，优化冷分离时序，缩短下面子级发动机关机至上面子级发动机启动的时间至关重要。

与固体运载火箭相比，液体运载火箭在冷分离时需要正推能源，还需要满足过载要求，因此液体运载火箭级间冷分离时序更复杂。

具体地，液体运载火箭级间冷分离时序包括下面子级发动机关机时刻T₀、正推固体火箭启动时刻T₁、级间解锁时刻T₂、上面子级发动机启动时刻T₃、上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄以及正推固体火箭关闭时刻T₅。其中，正推固体火箭用于提供正向过载能源，级间解锁时刻即为反推固体火箭点火时刻，反推固体火箭用于提供分离能源。

在冷分离时序的确定过程中，需要满足以下两个要求：

首先，上面子级发动机启动时上面子级和下面子级之间的相对位移需要满足分离行程的要求，即须在上面子级和下面子级之间的相对位移达到分离行程时上面子级发动机才可以启动。

其次，需要满足正推固体火箭的工作时间要求。由于上面子级与下面子级解锁后，上面子级失去动力，需要由正推固体火箭提供上面子级沉底要求所需的过载，因此在上面子级发动机推力达到过载要求前，正推固体火箭必须正常工作。根据上面子级发动机的启动曲线，可以得到上面子级发动机启动后过载达到过载要求所需要的时间。同时，如果级间解锁时刻过晚，则下面子级发动机残余推力提供的过载小于或等于上面子级沉底要求时正推固体火箭必须启动，以维持整体过载。

如图1所示，本申请提供的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法包括以下步骤：

S1、根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻T₂，其具体过程为：

假设上面子级沉底要求所需的加速度为a_need，上面子级的质量为m₂，下面子级的质量为m₁，则下面子级发动机关机后

时刻上面子级所需要的过载力为a_need(m₁+m₂)+F_q。

如果下面子级发动机关机后

时刻的残余推力F_fdj1满足F_fdj1＞a_need(m₁+m₂)+F_q，且下面子级发动机关机后/>

时刻的残余推力F_fdj2满足F_fdj2≤a_need(m₁+m₂)+F_q，则/>

时刻即为级间不解锁时正推固体火箭必须启动的时刻。

正推固体火箭的工作时间要求对于冷分离时序的约束可以进一步通过以下两种情况进行讨论：

情况1，如果级间解锁时刻早于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第一条件的约束下需要保证T₅≥T₄，T₂≥T₁。

其中，第一条件为级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt，其中，T_zt＝T₅-T₁。

情况2，如果级间解锁时刻晚于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第二条件的约束下需要保证T₅≥T₄，/>

其中，第二条件为在

时刻发动机残余推力需要满足上面子级的沉底要求，正推固体火箭必须已经启动。

从下面子级发动机关机时刻T₀开始，按照固定时间间隔作为当前解锁时刻

进行分离计算。级间解锁后，下面子级承受反推固体火箭的推力和下面子级发动机的残余推力，上面子级承受正推固体火箭的推力和气动阻力。可以根据变加速运动原理计算出上面子级和下面子级各自的加速度、速度和位移，从而计算出上面子级和下面子级之间的相对位移。其中，上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻即为当前上面子级发动机启动时刻/>

对于上面子级发动机启动过程来说，如果启动

时刻前F_qd-F_q＜a_needm₂且/>

时刻后F_qd-F_q≥a_needm₂，则表明此时上面子级产生的推力在/>

时刻已经能够达到过载要求，因此，当前上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻/>

为：/>

其中，/>

表示上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间。/>

在

和/>

确定后，根据情况1和情况2判断自级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长是否小于或等于正推固体火箭的工作时长T_zt，如果是，则在情况1下，/>

且/>

在情况2下，/>

保存当前解锁时刻/>

及其对应的/>

和/>

并按照时间间隔将下一时刻作为当前解锁时刻

继续进行分离计算，直至至下面子级发动机的残余推力为0时停止计算。保存所有满足要求的当前解锁时刻中最早的解锁时刻，并将其作为确认的冷分离时序中的级间解锁时刻T₂，其对应的时序即可作为液体运载火箭级间解锁的时序。

S2、根据级间解锁时刻T₂计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻T₃，其具体过程为：

S21、计算下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移，其具体过程为：

S211、计算级间解锁后下面子级受到的合外力F。

级间解锁后，下面子级处于发动机残余推力和分离能源的共同作用下，其受到的合外力F为：

式(1)中，

表示从级间解锁时刻T₂开始下面子级发动机的残余推力，

且/>

表示从下面子级发动机关机时刻T₀开始下面子级发动机的残余推力，其在下面子级发动机关机时刻T₀之后为时间的渐降函数，可以表示为：

表示从级间解锁时刻T₂开始分离能源对下面子级产生的推力，

且/>

表示分离能源在其工作总时长T_ft内对下面子级产生的推力，其可以表示为：

下标k为：k＝min(t_fdj-T₂/Δt,t_ft)，t_fdj＝T_fdj/Δt，t_ft＝T_ft/Δt，T_fdj表示自下面子级发动机关机时刻T₀至下面子级发动机的残余推力消失所需的时间，T_ft表示分离能源的工作总时长，Δt表示将下面子级发动机的残余推力进行离散的时间间隔，t_fdj表示将T_fdj离散为各个时间间隔的个数，t_ft表示将T_ft离散为各个时间间隔的个数。

S212、根据牛顿第二运动定律和下面子级受到的合外力F，计算级间解锁后下面子级的加速度

由于下面子级与上面子级的解锁瞬间下面子级的速度和上面子级的速度的大小和方向均相同，因此在计算中可以认为下面子级和上面子级处于相同的惯性系下，初速度均为0。

级间解锁后下面子级的加速度

为：

式(4)中，m₁表示下面子级的质量。

S213、根据速度和加速度的关系式，可以得到级间解锁后的每一时刻下面子级的速度

和每时间间隔Δt内下面子级的位移/>

分别可以近似表示为：

S214、根据级间解锁后每时间间隔Δt内下面子级的位移，计算得到下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移

为：

S22、计算上面子级自级间解锁时刻之后任意时刻的速度和总位移，其具体过程为：

级间解锁后，上面子级受气动阻力和正推固体火箭推力的作用，由于级间分离时间很短，因此可以假定气动阻力为一定值，可以采用加速运动位移的计算方法计算出上面子级自级间解锁时刻之后任意时刻的速度和总位移。

上面子级自级间解锁时刻之后任意时刻的速度

和总位移/>

分别为：

/>

式(8)和式(9)中，F_zt表示上面子级所承受的正推固体火箭推力，F_q表示上面子级所承受的气动阻力，m₂表示上面子级的质量。

S23、根据下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移与上面子级自级间解锁时刻之后的总位移，计算得到下面子级与上面子级之间的相对位移。

下面子级与上面子级之间的相对位移Δs为：

S24、将下面子级与上面子级之间的相对位移Δs与预设相对位移s_sep进行比较，并根据比较结果确定上面子级发动机启动时刻T₃，其具体过程为：

如果Δs≥s_sep，则需要进一步判断正推固体火箭是否能够从其启动时刻T₁工作至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄。如果从级间解锁时刻T₂至下面子级与上面子级之间的相对位移Δs满足分离要求时刻所需时间

与上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间/>

之和小于或等于正推固体火箭的工作时长T_zt，即：

则表明当前解锁时刻下可以达到相对分离行程，且正推固体火箭的工作时长T_zt可以覆盖级间解锁时刻T₂至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄，保存当前的级间解锁时刻

及其所对应的达到上面子级发动机启动要求时刻/>

直接进行下一个解锁时刻的计算。

取所有可以满足下面子级与上面子级间之间的相对位移Δs符合分离行程要求，且正推固体火箭的工作时长覆盖分离过程的级间解锁时刻中的最小的

作为级间解锁时刻T₂，其对应的/>

作为上面子级发动机启动时刻T₃。

S3、根据上面子级发动机启动时刻T₃以及上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间

确定上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄。

上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄为：

S4、根据级间解锁时刻T₂和上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄确定正推固体火箭关闭时刻T₅，其具体过程为：

根据级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt以及T₅≥T₄，T₂≥T₁，得到正推固体火箭关闭时刻T₅满足：

0≤T₅-T₄≤T_zt-(T₄-T₂) (12)

根据式(12)即可确定正推固体火箭关闭时刻T₅。

S5、根据正推固体火箭关闭时刻T₅和正推固体火箭的工作时长T_zt，得到正推固体火箭启动时刻T₁为：

T₁＝T₅-T_zt (13)

至此，级间冷分离的时序优化完成。

可以理解的是，在计算中如果从级间解锁时刻T₂开始分离能源对下面子级产生的推力

变为0，则下面子级与上面子级的相对位移不满足分离要求，且上面级的速度

小于下面子级的速度/>

则表明该时刻解锁无法完成分离，直接进行下一个解锁时刻的计算。

采用本申请提供的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，通过级间冷分离的时序优化，能够快速地确定液体运载火箭级间冷分离的时序，得到使液体运载火箭失控时间最短的级间解锁时间，从而提高液体运载火箭级间冷分离过程中的安全性。

在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种液体运载火箭级间冷分离时序优化装置，其包括存储器以及耦接至该存储器的处理器，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行本申请中任一个实施例中的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法。

其中，存储器可以为系统存储器或固定非易失性存储介质等，系统存储器可以存储有操作系统、应用程序、引导装载程序、数据库以及其他程序等。

在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，例如，包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由处理器执行，以完成本申请中任一个实施例中的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述冷分离时序包括下面子级发动机关机时刻、正推固体火箭启动时刻、级间解锁时刻、上面子级发动机启动时刻、上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻以及正推固体火箭关闭时刻，所述液体运载火箭级间冷分离时序优化方法包括以下步骤：

根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻；

根据级间解锁时刻计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻；

根据上面子级发动机启动时刻以及上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间确定上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻；

根据级间解锁时刻和上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻确定正推固体火箭关闭时刻；

根据正推固体火箭关闭时刻和正推固体火箭的工作时长，得到正推固体火箭启动时刻，完成对液体运载火箭级间冷分离时序的优化。

2.根据权利要求1所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述根据上面子级沉底要求所需的加速度、上面子级的质量、下面子级的质量和下面子级发动机的残余推力，确定冷分离时序中的级间解锁时刻的具体过程为：

假设上面子级沉底要求所需的加速度为a_need，上面子级的质量为m₂，下面子级的质量为m₁，则下面子级发动机关机后

时刻上面子级所需要的过载力为a_need(m₁+m₂)+F_q；

如果下面子级发动机关机后

时刻的残余推力F_fdj1满足F_fdj1＞a_need(m₁+m₂)+F_q，且下面子级发动机关机后/>

时刻的残余推力F_fdj2满足F_fdj2≤a_need(m₁+m₂)+F_q，则/>

时刻即为级间不解锁时正推固体火箭必须启动的时刻；

如果级间解锁时刻早于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第一条件的约束下需要保证T₅≥T₄，T₂≥T₁；

其中，第一条件为级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt，其中，T_zt＝T₅-T₁；

如果级间解锁时刻晚于正推固体火箭必须启动的时刻，即

则在第二条件的约束下需要保证T₅≥T₄，/>

其中，第二条件为在

时刻发动机残余推力需要满足上面子级的沉底要求，正推固体火箭必须已经启动；

其中，T₁表示正推固体火箭启动时刻，T₂表示级间解锁时刻，T₃表示上面子级发动机启动时刻，T₄表示上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻，T₅表示正推固体火箭关闭时刻。

3.根据权利要求2所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述根据级间解锁时刻计算得到上面子级和下面子级之间的相对位移，并将上面子级和下面子级之间的相对位移满足分离行程要求的时刻作为上面子级发动机启动时刻的具体过程为：

计算下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移；

计算上面子级自级间解锁时刻之后任意时刻的速度和总位移；

根据下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移与上面子级自级间解锁时刻之后的总位移，计算得到下面子级与上面子级之间的相对位移；

将下面子级与上面子级之间的相对位移与预设相对位移进行比较，并根据比较结果确定上面子级发动机启动时刻。

4.根据权利要求3所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述计算下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移的具体过程为：

计算级间解锁后下面子级受到的合外力；

根据牛顿第二运动定律和下面子级受到的合外力，计算级间解锁后下面子级的加速度；

根据速度和加速度的关系式，计算得到级间解锁后的每一时刻下面子级的速度和每时间间隔Δt内下面子级的位移；

根据级间解锁后每时间间隔Δt内下面子级的位移，计算得到下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移。

5.根据权利要求4所述的运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述级间解锁后下面子级受到的合外力为：

式中，F表示级间解锁后下面子级受到的合外力，

表示从级间解锁时刻T₂开始下面子级发动机的残余推力，/>

且

表示从下面子级发动机关机时刻T₀开始下面子级发动机的残余推力，

表示从级间解锁时刻T₂开始分离能源对下面子级产生的推力，/>

且/>

表示分离能源在其工作总时长T_ft内对下面子级产生的推力，/>

下标k为：k＝min(t_fdj-T₂/Δt,t_ft)，t_fdj＝T_fdj/Δt，t_ft＝T_ft/Δt，T_fdj表示自下面子级发动机关机时刻T₀至下面子级发动机的残余推力消失所需的时间，T_ft表示分离能源的工作总时长，Δt表示将下面子级发动机的残余推力进行离散的时间间隔，t_fdj表示将T_fdj离散为各个时间间隔的个数，t_ft表示将T_ft离散为各个时间间隔的个数；

所述级间解锁后下面子级的加速度为：

式中，

表示级间解锁后下面子级的加速度，m₁表示下面子级的质量；

所述下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移为：

式中，

表示下面子级自级间解锁时刻至下面子级发动机后效推力为0时刻这一时段的总位移，/>

表示级间解锁后每时间间隔Δt内下面子级的位移，

6.根据权利要求5所述的运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述下面子级与上面子级之间的相对位移为：

式中，Δs表示下面子级与上面子级之间的相对位移；

表示上面子级自级间解锁时刻之后总位移/>

其中，F_q表示上面子级所承受的气动阻力，m₂表示上面子级的质量。

7.根据权利要求4所述的运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述根据级间解锁时刻和上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻确定正推固体火箭关闭时刻的具体过程为：

根据级间解锁时刻至上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻之间的时长小于或者等于正推固体火箭的工作时长T_zt以及T₅≥T₄，T₂≥T₁，得到正推固体火箭关闭时刻T₅满足：

0≤T₅-T₄≤T_zt-(T₄-T₂)，

式中，上面子级发动机提供的过载达到过载要求的时刻T₄为：

上面子级的发动机推力能够达到沉底要求的过载所需要经过的时间。

8.根据权利要求7所述的运载火箭级间冷分离时序优化方法，其特征在于，所述根据正推固体火箭关闭时刻和正推固体火箭的工作时长，得到正推固体火箭启动时刻的过程为：

正推固体火箭启动时刻T₁为：

T₁＝T₅-T_zt。

9.一种液体运载火箭级间冷分离时序优化装置，其特征在于，包括存储器以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1-8任一项所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法。

10.一种存储介质，其特征在于，其上存储有可执行程序，当可执行程序被调用时，执行如权利要求1-8中任一项所述的液体运载火箭级间冷分离时序优化方法中的步骤。

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