CN116029587A - 一种火箭运载能力的量化表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火箭运载能力的量化表征方法，属于航天发射运输系统技术领域。该方法实现的步骤包括：步骤一：建立[航天任务轨道‑载荷质量区间]矩阵结构；步骤二：构建火箭运载能力目标参数模型；步骤三：根据步骤一的[航天任务轨道‑载荷质量区间]矩阵结构和步骤二的火箭运载能力目标参数模型建立火箭运载能力数值矩阵。本发明将运载能力通过区间划分展现出火箭装备在各种典型轨道类型任务的综合能力，并在运载能力目标参数模型中考虑了成本因素。表征结果可方便用于任务覆盖性、对任务的满足程度和运载能力可替代性等火箭装备任务能力评价，克服了单一的数据曲线表征形式在应用方面的不足。
Description
技术领域
本发明属于航天发射运输系统技术领域，具体涉及一种火箭运载能力的量化表征方法。
背景技术
运载火箭作为航天任务的运输装备，运载能力是最为关注的装备核心指标，在对运载能力做出评价时，不仅希望具有较高的有效载荷发射能力，还希望对现有航天任务具有较好的覆盖性，即可满足尽可能多的发射任务，同时还关心装备的经济性，即同等载荷能力下装备的全寿命周期成本较低等等。
当前火箭的运载能力一般体现为该型火箭的轨道-有效载荷质量数据或曲线的形式，数据信息单一，难以直观且综合体现火箭装备运载能力特点，对其的使用仍延续传统的数据遴选和二次计算处理等过程，不利于在装备运载能力及任务能力分析评价中的高效应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种火箭运载能力的量化表征方法，将运载能力通过区间划分展现出火箭装备在各种典型轨道类型任务的综合能力，并在运载能力目标参数模型中考虑了成本因素。表征结果可方便用于任务覆盖性、对任务的满足程度和运载能力可替代性等火箭装备任务能力评价，克服了单一的数据曲线表征形式在应用方面的不足。
一种火箭运载能力的量化表征方法，该方法实现的步骤如下：
步骤一：建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构；
步骤二：构建火箭运载能力目标参数模型；
步骤三：根据步骤一的[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构和步骤二的火箭运载能力目标参数模型建立火箭运载能力数值矩阵。
进一步地，所述步骤一建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构的过程如下：
统计历史和未来规划航天发射任务的轨道类型和有效载荷质量数据，轨道类型按照常用近地轨道LEO、太阳同步轨道SSO和地球同步转移轨道GTO三种标准类型进行折算，有效载荷质量M按照航天任务载荷现实分布情况，划分为若干有效载荷质量分布区间[Mxi-1，Mxi]，[Mxi-1，Mxi]为有效载荷质量相对集中的区域，建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵；矩阵元素Nxi为火箭运载能力目标参数取值，量化表征火箭在对应有效载荷质量区间下的运载能力，下标X对应近地轨道LEO、太阳同步轨道SSO和地球同步转移轨道GTO分别取L、S和G，下标i对应载荷质量分布区间的编号。
进一步地，所述步骤二构建火箭运载能力目标参数模型的过程中，针对单一运载火箭装备，综合考虑其运载能力值和火箭成本因素，构建火箭运载能力目标参数模型N，目标参数取值为装备任务能力和成本的综合量化结果。
进一步地，所述火箭运载能力目标参数模型N的表达式如下：
其中：
当M＜MX，i-1 N＝0；
当MX，i-1≤M≤MX，i 
当MX，i＜M
M为火箭在某类型发射轨道下的运载能力值，为便于表述，给定一个运载能力参考值M0，M取值按
进行无量纲化处理；
k表征火箭运载能力值对有效载荷质量分布区间的覆盖程度(占比)，例如某运载火箭×kmSSO运载能力值为Ms，则对于有效载荷分布区间[Ms，i-1，Ms，i]，k的取值表征含义包含部分覆盖、零覆盖和全覆盖三种状态；
P为某类型火箭全寿命周期成本参数，包括火箭成本、发射成本后的综合值，量纲为万元；
M/P表征某火箭单位成本所能达到的运载能力；在计算目标参数N时，[MX，i-1，MX，i]为全覆盖时，火箭运载能力M值超出了[MX，i-1，MX，i]的范围，M/P取MX，i/P，表示火箭单位成本下所发挥的运载能力较小，具有一定的能力浪费；其余情况下M/P取本身计算数值。
进一步地，所述步骤三的火箭运载能力数值矩阵用于航天任务覆盖性分析、任务满足程度分析和能力替代性分析。
有益效果：
1、本发明的量化表征方法根据步骤一的[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构和步骤二的火箭运载能力目标参数模型建立了火箭运载能力数值矩阵，该矩阵表征形式清晰直观，论证分析工作方便高效。可直观展示火箭装备任务能力、任务覆盖性等能力特点，不同型号火箭间的能力比较结果清晰明了、一目了然。
2、火箭运载能力数值矩阵信息要素齐全，分析结果更加科学合理。表征领域涵盖了整个航天任务全集，表征对象可为单一火箭装备或火箭装备集合，运载能力目标参数可体现成本等其它重要因素。
3、运载火箭装备立项研制阶段，需要重点关注新研装备对各种不同类型航天任务的覆盖能力、适用能力，以及相比现有装备的优势等，数值矩阵的应用，可为解决上述问题提供很好的量化支撑。
附图说明
图1为本发明火箭运载能力的量化表征方法的步骤流程图。
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。
本发明提供了一种火箭运载能力的量化表征方法，如附图1所示，该方法实现的步骤如下：
步骤一：[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构建立
统计历史和未来规划航天发射任务的轨道类型和有效载荷质量数据，轨道类型按照常用近地轨道LEO(倾角×°、高度×km)、太阳同步轨道SSO(高度×km)和地球同步转移轨道GTO(高度×km)3种标准类型进行折算，有效载荷质量M按照航天任务载荷现实分布情况，划分为若干有效载荷质量分布区间[Mxi-1，Mxi]，[Mxi-1，Mxi]为有效载荷质量相对集中的区域，建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵如表1。矩阵元素Nxi为火箭运载能力目标参数取值，量化表征火箭在对应有效载荷质量区间下的运载能力，下标X对应LEO、SSO和GTO分别取L、S和G，下标i对应载荷质量分布区间的编号。
表1[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构
步骤二：火箭运载能力目标参数模型构建
采用单一目标参数N表征运载火箭能力，并综合考虑相关影响因素构建计算模型N。
其中：
当M＜MX，i-1 N＝0；
当MX，i-1≤M≤MX，i 
当MX，i＜M
M为火箭在某类型发射轨道下的运载能力值，为便于表述，给定一个运载能力参考值M0，对下文中直接出现的M取值按
进行无量纲化处理。
k表征火箭运载能力值对有效载荷质量分布区间的覆盖程度(占比)，例如某运载火箭×kmSSO运载能力值为Ms，则对于有效载荷分布区间[Ms，i-1，Ms，i]，k的取值表征含义包含部分覆盖、零覆盖和全覆盖三种状态。
P为某类型火箭全寿命周期成本参数，包括火箭成本、发射成本等后的综合值，量纲为万元。M/P表征某火箭单位成本所能达到的运载能力。在计算目标参数N时，[MX，i-1，MX，i]为全覆盖时，也即火箭运载能力M值超出了[MX，i-1，MX，i]的范围，M/P取MX，i/P，表示火箭单位成本下所发挥的运载能力较小，具有一定的能力浪费；其余情况下M/P取本身计算数值。
步骤三：目标参数计算及火箭运载能力量化表征
选择国内17型典型运载火箭，包括R1、...、R7成熟运载火箭，以及R8、...、R17新一代运载火箭。其中R2运载火箭LEO(×°、×km)运载能力为0.165，×kmSSO为0.048，近地点×kmGTO轨道为0.04，利用火箭运载能力目标参数模型计算，形成火箭运载能力数值矩阵如表2。针对17型运载火箭，形成火箭运载能力数值矩阵集如表3。
表2 R2火箭运载能力数值矩阵
表3 17型运载火箭运载能力数值矩阵
注：R1、…、R7成熟运载火箭为黑体加斜，下同。
应用及验证
应用验证1：航天任务覆盖性分析
如表2，R2火箭运载能力可覆盖4个有效载荷质量分布区间，其主要航天任务为0-0.16的LEO任务，目标参数值达4.878，其次为0-0.12的SSO和0-0.16的GTO，分别为0.585和0.305。统计17型火箭运载能力覆盖区间数及大于1的区间数如表4。
表4 17型运载火箭运载能力覆盖区间数统计
分析可看出，单考虑能力参数大于1的能力覆盖区间数，新一代运载火箭较成熟火箭，能力覆盖区间数更大，具有更好的任务适用能力。例如，R2虽然可覆盖4个能力区间，但主要能力为发射0-0.16的LEO轨道任务；而新一代R9运载火箭对0-0.16、0.16-0.56的LEO任务，0-0.12的SSO任务目标参数大于1，均有较好的覆盖能力(表5)。
表5 R9火箭运载能力数值矩阵
应用验证2：任务满足程度分析
针对[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构，统计每项航天任务的发射量，将发射量百分比对应为矩阵元素取值(表6)。
表6航天发射任务量统计结果
| 载重\轨道 | LEO | 载重\轨道 | SSO | 载重\轨道 | GTO |
| 0-0.16 | 27.20％ | 0-0.12 | 31.40％ | 0-0.16 | 9.74％ |
| 0.16-0.56 | 5.09％ | 0.12-0.32 | 0.93％ | 0.16-0.28 | 22.67％ |
| 0.56-1.0 | 0.63％ | 0.32-0.56 | 0.93％ | 0.28-0.56 | 0.70％ |
| >1.0 | 0.42％ | >0.56 | 0.08％ | >0.56 | 0.23％ |
结合表3分析可看出，成熟运载火箭对0-0.16的LEO、0-0.12的SSO和0-0.16的GTO具有较好的能力，占到任务总数的约68.34％；对0.16-0.56的LEO、0.12-0.32的SSO和0.16-0.28的GTO有一定能力，占到任务总数的28.7％；对其余的约3％的有效载荷质量较大任务不具备能力；新一代运载火箭可满足目前所有航天发射任务，相比成熟火箭，在百分占比较大的0.16-0.56的LEO和0.16-0.28的GTO两类任务上具有明显的优势，且在0.56以上LEO、0.32以上SSO和0.28以上GTO任务方面填补了能力空白。
应用验证3：能力替代性分析
由表3分析可知，成熟型号火箭中，R2/R3能力主要集中于0-0.16的LEO轨道任务，对SSO和GTO轨道任务具有一定能力；R4/R5主要集中于0-0.16的GTO任务，R4对于0-0.12、0.12-0.32的SSO任务，以及0.16-0.28的GTO任务具有一定能力；R6/R7主要用于0-0.12的SSO任务。成熟型号运载能力相对较小，对于三类轨道中有效载荷质量较大的航天任务不具备能力。
舍去表3目标参数值较小的火箭得到表7，可看出，新一代运载火箭任务能力可覆盖所有轨道-载荷质量任务，且对于成熟火箭的任务覆盖领域，可形成替代性覆盖。在0-0.16的LEO，R15能力略小于R2/R3，可起到一定替代作用；在0-0.12的SSO，R9、R15等可替代现有R6/R7；在0-0.16的GTO，R13可替代现有R4/R5，且在0.16-0.28的GTO任务，相比R4/R5具有突破性能力提升。
表7成熟火箭与新一代火箭能力对比
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)
1.一种火箭运载能力的量化表征方法，其特征在于，该方法实现的步骤如下：
步骤一：建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构；
步骤二：构建火箭运载能力目标参数模型；
步骤三：根据步骤一的[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构和步骤二的火箭运载能力目标参数模型建立火箭运载能力数值矩阵。
2.如权利要求1所述的火箭运载能力的量化表征方法，其特征在于，所述步骤一建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵结构的过程如下：
统计历史和未来规划航天发射任务的轨道类型和有效载荷质量数据，轨道类型按照常用近地轨道LEO、太阳同步轨道SSO和地球同步转移轨道GTO三种标准类型进行折算，有效载荷质量M按照航天任务载荷现实分布情况，划分为若干有效载荷质量分布区间[Mxi-1，Mxi]，[Mxi-1，Mxi]为有效载荷质量相对集中的区域，建立[航天任务轨道-载荷质量区间]矩阵；矩阵元素Nxi为火箭运载能力目标参数取值，量化表征火箭在对应有效载荷质量区间下的运载能力，下标X对应近地轨道LEO、太阳同步轨道SSO和地球同步转移轨道GTO分别取L、S和G，下标i对应载荷质量分布区间的编号。
3.如权利要求2所述的火箭运载能力的量化表征方法，其特征在于，所述步骤二构建火箭运载能力目标参数模型的过程中，针对单一运载火箭装备，综合考虑其运载能力值和火箭成本因素，构建火箭运载能力目标参数模型N，目标参数取值为装备任务能力和成本的综合量化结果。
4.如权利要求3所述的火箭运载能力的量化表征方法，其特征在于，所述火箭运载能力目标参数模型N的表达式如下：
其中：
当M＜MX，i-1 N＝0；
当MX，i-1≤M≤MX，i 
当MX，i＜M
M为火箭在某类型发射轨道下的运载能力值，为便于表述，给定一个运载能力参考值M0，M取值按
进行无量纲化处理；
k表征火箭运载能力值对有效载荷质量分布区间的覆盖程度(占比)，例如某运载火箭×kmSSO运载能力值为MS，则对于有效载荷分布区间[MS,i-1，MS,i]，k的取值表征含义包含部分覆盖、零覆盖和全覆盖三种状态；
P为某类型火箭全寿命周期成本参数，包括火箭成本、发射成本后的综合值，量纲为万元；
M/P表征某火箭单位成本所能达到的运载能力；在计算目标参数N时，[MX,i-1，MX,i]为全覆盖时，火箭运载能力M值超出了[MX,i-1，MX,i]的范围，M/P取MX,i/P，表示火箭单位成本下所发挥的运载能力较小，具有一定的能力浪费；其余情况下M/P取本身计算数值。
5.如权利要求3或4所述的火箭运载能力的量化表征方法，其特征在于，所述步骤三的火箭运载能力数值矩阵用于航天任务覆盖性分析、任务满足程度分析和能力替代性分析。
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