[发明专利]一种火箭助推无人机发射过程多场耦合仿真分析方法

权利要求书

1.一种火箭助推无人机发射过程多场耦合仿真分析方法，其特征是该方法包括以下步骤：

(一)将火箭助推无人机发射过程分为无人机在架固定、无人机沿架滑行、无人机与发射架完全分离至助推器工作结束、助推器工作结束至助推器完全脱离、无人机继续飞行共五个阶段；

(二)建立无人机六自由度动力学方程组，在此基础上，在ADAMS软件中建立无人机发射系统多刚体动力学模型；

(三)基于气动吹风数据，建立可实时计算不同飞行姿态下气动力的气动力计算模型和气动力矩的气动力矩计算模型；

(四)建立无人机发射过程的飞控系统模型；

(五)搭建无人机发射段多场耦合联合仿真数据交互平台；

所述无人机六自由度动力学方程组如下：

其中：F_a为机身前支点与发射前支撑之间的接触力，F_b为机身后支点与发射后支撑之间的接触力，F_c为传力锥座与火箭助推器前端锥窝之间的接触力，F_d为涡喷发动机推力，F_e为闭锁销的闭锁力，G为发射系统各个部件的总重力，F_f为火箭助推器尾端与火箭托架之间的接触力，F_x、F_y、F_z分别为整机气动力在机体坐标系X轴、Y轴、Z轴的三个分量，M_x、M_y、M_z分别为整机气动力对无人机质心形成的合力矩在机体坐标系X轴、Y轴、Z轴的三个分量，ω_x、ω_y、ω_z分别为绕机体坐标系X轴、Y轴和Z轴的转动角速度，I_x、I_y、I_z、I_zx、I_xy分别为绕机体坐标系X轴、Y轴和Z轴的转动惯量，v_x、v_y、v_z分别为无人机绕机体坐标系X轴、Y轴和Z轴的三个速度分量；

根据无人机六自由度动力学方程组，在ADAMS软件中建立无人机发射系统多刚体动力学模型，包括以下步骤：

①无人机发射系统三维模型建立：在NX中对各部件进行装配，建立无人机发射系统的三维模型，并以(.x_t)格式导入到ADAMS软件中；

②关键坐标系的建立，包括：在无人机质心位置处，建立随无人机运动的质心坐标系和机体坐标系、一个固定的地面参考坐标系；在无人机尾喷管的中心位置处，建立随无人机运动的涡喷发动机推力参考坐标系；在无人机尾喷管的中心位置处，建立随无人机运动的涡喷发动机推力参考坐标系；在火箭助推器喷管的中心位置处，建立随火箭助推器运动的推力参考坐标系；在火箭助推器喷管的质心位置处，建立随火箭助推器运动的质心参考坐标系；

③各关键部件质量特性的施加，包括：无人机自身的质量和转动惯量以等效质量形式施加，其参考坐标系为无人机质心坐标系；发射架按照各部件材料属性形式施加；火箭助推器的质量和转动惯量以等效质量形式施加，其参考坐标系为火箭助推器质心坐标系；

④关键部件之间约束副的施加，包括：转动副、固定副、接触副；为了实现发射前支撑与发射架之间的转动运动，在转动中心建立两者之间的转动约束副；为了实现发射架与地面之间的相对固定，在发射架中心建立两者之间的固定约束副；为了实现无人机与发射架之间的相对接触约束，在无人机前支点与发射前支撑之间、无人机后支点与发射后支撑之间、无人机传力锥座与火箭助推器前端锥窝之间、火箭助推器尾端与火箭托架之间建立两者之间的接触约束副；

所述接触力的计算借助ADAMS中的非线性接触函数进行计算；其中，接触类型选择“体对体”，摩擦力计算选择库伦摩擦力计算方法；

⑤关键载荷的施加，包括：无人机气动力以及气动力矩、涡喷发动机推力、火箭助推器推力、闭锁销闭锁力以及各个部件重力；其中：无人机气动力三个分量F_x、F_y、F_z及气动力矩三个分量M_x、M_y、M_z的作用点均施加在无人机质心上，方向沿着机体坐标系的三个坐标轴；涡喷发动机推力作用点施加在无人机尾喷管中心，方向沿着涡喷发动机推力参考坐标系的X轴；火箭助推器推力作用点施加在助推器喷管中心，方向沿着火箭助推器推力参考坐标系的X轴；闭锁销闭锁力施加在闭锁销轴的中心位置；重力以重力场的形式施加到整个系统中。