重复使用跨大气层飞行器(RLV)是一种多用途航天器,它不仅可以多次重复使用,还可以快速、方便地向空间运送有效载荷,较长时间地在轨停留和在轨机动,完成各种空间任务。重复使用跨大气层飞行器具同时有很高的军事和民用价值,受到世界各航天大国的高度重视,许多国家都在积极地开展RLV的研制工作,我国“863”计划航天航空领域也成立了可重复使用天地往返运输技术主题,对这方面的研究工作予以支持。
虚拟样机技术是先进仿真技术发展的结晶。由于RLV的研制技术难度大,系统集成性强,在研制其物理样机之前,非常有必要建立RLV系统的虚拟样机。本文主要针对我国串联两级重复使用跨大气层飞行器设计方案,建立其动力学虚拟样机,并使用该样机对串联两级RLV的上升段进行仿真计算。在建立样机之前,本文首先建立了RLV上升段动力学的数学模型,这些数学模型包括以下几个部分:
(1).基础算法库:包括常用坐标系定义、欧拉角的定义、仿真算法库的建立等。
(2).空天飞行器的环境模型库:包括时间系统、大气模型、地球模型、月球模型、太阳模型以及环境对飞行器的摄动影响等。
(3).上升段的运动模型:包括质心运动模型、姿态运动模型、质量特性模型、推力特性模型、气动力及力矩计算等。
在数学模型的基础上,论文做了进一步的工作,即在VPM上搭建了RLV系统的虚拟样机。搭建虚拟样机时,充分考虑了样机的合理性、可重用性、可扩展性以及易用性,同时也考虑了模块能够方便更换。这部分的工作主要有下面几个方面:
(1).基于数学模型,建立了相应的仿真功能模块。这些模块包括环境库中的重力加速度模块、大气模块等,他们用来计算RLV飞行过程中的环境参数;以及包括用来计算动力学相关参数的模块,如气动力及力矩计算模块、质量计算模块、质心运动解算模块、姿态运动解算模块、空间环境对飞行器的摄动解算模块等。他们都是依据数学模型,遵循VPM的模型设计规范所开发完成的。
(2).搭建了各个子系统的样机模型。RLV是由多个子系统构成的,首先对RLV系统进行分析,划分了RLV样机系统的层次结构,然后以仿真功
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能模块为基础,搭建了各个子系统的样机模型。征个样机模型均完成
一定的仿真功能,如质心运动子系统,他用来计算匕行器的质心运动
规律。将这些子系统联系起来,可以组建成更大的子系统。
(3).搭建了RLV系统的样机模型。该样机模型能够进行粗粒度的全过程的
飞行仿真。样机模型合理定义了模块间、子系统间及模块与子系统间
的接口参数,方便以后模块替换和系统扩展,以实现样机系统的重用
和通用性,满足多方面仿真的要求。
在样机上初步对RLV上升段进行了仿真,从仿真结果可以看出,该样机能
够满足粗粒度的RLV仿真要求,得到的结果较为合理。
关键词:重复使用跨大气层飞行器虚拟样机
型仿真模型
数字仿真
数学模
