[发明专利]一种空天飞行器质量估算方法

说明书

本申请属于单级入轨空天飞行器总体设计领域，特别涉及一种空天飞行器质量估算方法。包括：步骤一、获取飞行器加速过程的一般方程；步骤二、根据所述飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型；步骤三、根据所述飞行器加速过程的一般方程以及所述火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型；步骤四、根据所述火箭推进模态的质量比估算模型以及所述吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型。本申请完成了单级入轨空天飞行器总质量的估算，可以快速获取动力模态转换点、飞行器结构质量分数、入轨载荷与飞行器总质量之间规律，提高了方案收敛的速度。

技术领域

本申请属于单级入轨空天飞行器总体设计领域，特别涉及一种空天飞行器质量估算方法。

背景技术

单级入轨空天飞行器是一种用于向轨道空间投送入轨载荷的可重复使用天地往返飞行器。目前，国内外尚缺乏对适合于单级入轨飞行器的概念设计方法的研究，更没有一个现实的单级入轨飞行器供参考。针对单级入轨空天飞行器方案的研究工作主要集中于全系统的规模评估及气动布局选择等方面。在飞行器质量评估研究方面，已开展的研究工作主要分为两类：一类是通过飞行器总体参数的统计数据，利用回归分析方法获得飞行器尺寸和质量间的关系，该类研究着重于质量评估，并未考虑飞行器是否具备实际的入轨能力；另一类则是通过能量守恒关系，在一定载荷需求下根据假定的结构质量系数分析推进剂消耗率，从而分析飞行器质量规模。现有技术对于单级入轨空天飞行器起飞总重影响因素分析困难，且周期比较长，难以满足快速论证的需要。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种空天飞行器质量估算方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种空天飞行器质量估算方法，包括：

步骤一、获取飞行器加速过程的一般方程；

步骤二、根据所述飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型；

步骤三、根据所述飞行器加速过程的一般方程以及所述火箭推进模态的质量比估算模型，构建吸气式推进模态的质量比估算模型；

步骤四、根据所述火箭推进模态的质量比估算模型以及所述吸气式推进模态的质量比估算模型，构建单级入轨空天飞行器的质量估算模型。

在本申请的至少一个实施例中，步骤一中，所述获取飞行器加速过程的一般方程包括：

建立一般飞行器的加速度与推进剂消耗率之间的一般关系式，其中，沿飞行速度方向应用牛顿第二定律，并采用发动机比冲表示推力：

定义有效比冲为：

I_eff＝I_sp(1-D/T)

得到飞行器加速过程的一般方程为：

式中，m为飞行器质量，V为飞行器速度，I_sp为发动机比冲，T为发动机推力，D为飞行器阻力，g为重力加速度，γ为飞行器爬升角。

在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述根据所述飞行器加速过程的一般方程，构建火箭推进模态的质量比估算模型包括：

由于火箭推进模态下飞行器推阻比大，认为有效比冲I_eff近似等于I_sp，火箭发动机的I_sp在飞行过程中近似恒定，对飞行器加速过程的一般方程积分得到第一变换方程为：