[发明专利]一种载人登月质量规模估算的方法与系统

权利要求书

1.一种载人登月质量规模估算的方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：

步骤一：建立质量规模参考数据库

所述质量规模参考数据库由载人飞船和登月飞船各部件的质量、功能、功耗参数组成，各参数之间是并列关系，该数据库将为质量规模估算打下基础；

步骤二：飞行器与飞行过程模块化

所述飞行器与飞行过程模块化包含飞行器模块化和飞行过程模块化两部分，二者属于并列关系；

所述飞行器模块化是指将载人飞船的推进舱、轨道舱、返回舱以及登月舱、火箭末级、推进飞行器第一、二、三级看作独立的模块，建立各个模块的干重估算数学模型；各个模块是并列关系，部分模块之间存在参数耦合；

所述飞行过程模块化是指将飞行过程划分为一系列飞行阶段，不同的飞行方案包含的飞行阶段不同，飞行阶段模块化还要明确各个阶段的速度增量需求；

步骤三：飞行方案构造

所述飞行方案构造包括飞行器选取和飞行阶段选取两部分，二者在构造飞行方案时按顺序执行，即先选择飞行器，再选择飞行阶段；

所述飞行器选取即选择经步骤二模块化后的飞行器，能全选，也能部分选择，具体选择应由该方法的使用者决定；选择某一飞行器模块后，这一模块对应的干重估算模型也就唯一确定；

所述飞行阶段选取即选择每个飞行器对应的飞行阶段，每个飞行器能对应一个飞行阶段，也能对应多个飞行阶段；

步骤四：质量规模求解

利用逆推法和数学迭代对质量规模进行估算；

所述逆推法是指利用后一阶段的飞行器质量和速度增量需求，推出前一阶段飞行器的质量；逆推法从飞行的最后一个阶段开始，直到推出飞行器的发射质量为止，逆推过程建立在齐奥尔科夫斯基公式和质量规模参考数据库的基础上；

所述数学迭代是指飞行器各分系统及飞行各阶段之间存在耦合变量，这些耦合变量无法直接求解，需要通过数学迭代的方法实现；

逆推时需要利用齐奥尔科夫斯基公式，齐奥尔科夫斯基公式给出了变轨所需速度增量、燃料质量以及有效载荷质量三者之间的关系，表达式如下：

mprop=mbo(eΔvIsp·g-1)---(1)]]>

式中，m_prop为变轨消耗的燃料质量，m_bo为有效载荷和推进飞行器的结构质量，Δv为变轨所需速度增量，I_sp为推进剂比冲；

逆推法数学模型如下：

假设整个飞行过程共有n个阶段，从前到后分别用s₁,s₂,…,s_n表示，在第i阶段中，2≤i≤n，速度增量为Δv_i，抛掉部分的质量为Δm_i，第i阶段结束时的质量为m_i，则第(i-1)阶段结束时的质量为

mi-1=mi+Δmi+(mi+Δmi)(eΔviIsp·g-1)=(mi+Δmi)·eΔviIsp·g---(2)]]>

根据以上递推式，从最后一阶段的质量逆推到发射质量；

在实际计算过程中，m_i和Δm_i含有未知项，燃料贮箱的质量未知，燃料贮箱的质量与推进剂质量有关，而推进剂的质量与整个飞行过程紧密相关，遇到这种情况，需要利用迭代求解，具体描述如下：

1)给定迭代精度ε，给推进剂贮箱一个初值质量m₀，利用(2)式递推求解推进剂的总质量m_p0；

2)利用m_p0和推进剂密度ρ_p求得贮箱质量m’₀：

推进剂的体积V_p为

V_p＝m_p0/ρ_p(3)

假设推进剂装在球型贮箱中，则贮箱的内表面半径r为

r=3Vp4π3---(4)]]>

若贮箱的壁厚t，贮箱材料的密度为ρ，则贮箱的总质量为

m0,=43π[(r+t)3-r3]·ρ---(5)]]>

3)判断|m’₀-m₀|<ε是否成立，如果不成立，则令m₀＝m’₀，重复第1)步；如果成立则结束迭代；

运用上述方法，能任意构造载人登月方案，并快速地对质量规模进行估算。

2.一种基于权利要求1所述的一种载人登月质量规模估算的方法的系统，其特征在于：它包括信息参考模块、飞行方案构造模块和质量规模求解模块，三个模块在进行质量规模估算时按顺序执行，即先构造信息参考模块，再执行飞行方案构造模块，最后执行质量规模求解模块；

所述信息参考模块由质量规模参考数据库子模块、飞行器子模块和飞行阶段子模块三部分组成，各子模块之间是并列关系；该质量规模参考数据库子模块是飞行器各零部件信息的存储空间，采用层次结构，它用于存储载人飞船和登月飞船各部件的质量、功能、功耗参数，为质量规模估算打下基础；该飞行器子模块是飞行器信息的存储空间，它用于存储各飞行器的名称和对应的干重估算数学模型，包括的飞行器有推进舱、轨道舱、返回舱、登月舱、火箭末级、推进飞行器第一、二、三级；该飞行阶段子模块是飞行阶段信息的存储空间，它用于存储各飞行阶段的名称和对应的速度增量信息；

所述飞行方案构造模块由飞行器子模块和飞行阶段子模块两部分组成，二者按顺序执行，即先执行飞行器子模块，再执行飞行阶段子模块；该飞行器子模块是面向使用者的一个窗口，同时也是一个信息传递通道，它与飞行器子模块相连，使用者从中选择载人登月所需的飞行器，该子模块能将相应飞行器的干重估算数学模型传递给质量规模求解模块；该飞行阶段子模块是面向使用者的一个窗口，同时也是一个信息传递通道，它与飞行阶段子模块相连，使用者从中选择飞行器对应的飞行阶段，该子模块能将各飞行阶段的速度增量信息传递给质量规模求解模块；

所述质量规模求解模块是逆推法和数学迭代求解算法的集合，它接收飞行方案构造模块传递的飞行器干重估算数学模型和飞行阶段速度增量信息，对质量规模进行估算。