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液体火箭的多体动力学建模与仿真研究

作　者: 胡鹏翔
导　师: 任革学
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 液体火箭多体动力学变质量柔性体晃动 “结构-姿控-Pogo”耦合
分类号: O313.7
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

液体火箭是典型的时变系统，也是复杂的动力学耦合系统，其动力学问题对于火箭的设计与研制极为重要。本文采用多体动力学方法研究液体火箭的动力学建模与仿真问题，主要开展三方面工作：首先，提出了变质量液体火箭的多体动力学建模方法。先基于有限段方法建立未加注火箭的柔性多体系统模型，再提出变质量质点系的达朗贝尔-拉格朗日原理，并结合拉氏乘子法建立柔性变质量充液贮箱的多体建模单元，然后提出变质量贮箱时变晃动的等效力学模型和变质量质点的建模方法。最后，采用状态空间方程方法实现了时变控制在多体系统中的建模；采用约束力方程方法实现了火箭分离过程的多体建模；采用谐波叠加法生成随机样本，实现了火箭跨音速抖振的多体动力学建模；考虑地球外形及其自转，给出了各项时变外载荷的多体建模方法。液体火箭的动力学方程为微分代数方程组，可采用BDF方法和Newton-Raphson迭代法进行数值求解。针对所提出的建模方法给出若干验证算例。通过多体动力学仿真结果与文献结果和解析解的对比，验证了多体建模方法的正确性。其次，根据本文提出的建模方法建立大型捆绑式液体运载火箭的多体系统模型，开展火箭“大气飞行-助推分离”连续过程的精确动力学仿真，实现了姿控、弹道、推进剂消耗与晃动以及箭体振动的耦合分析。根据多体动力学仿真结果分析了飞行箭体的动力学行为，预示了飞行箭体的姿态运动、各贮箱的推进剂晃动、箭体飞行轨迹以及助推器的分离过程；根据多体仿真结果还分析了箭体结构振动和动载荷，给出了姿控喷管摇摆幅度、箭体关键部位动间隙以及飞行全程全箭的动载荷包络。跨音速脉动压力使得箭体姿态、喷管摆角和箭体动载荷在跨音速时段之内剧烈振荡，但对飞行轨迹无显著影响，而其对晃动的扰动影响将持续到跨音速时段之后。最后，采用多体动力学建模方法实现了大型捆绑式液体运载火箭“结构-姿控-Pogo”耦合大回路的稳定性分析，研究了火箭姿控回路和Pogo回路之间的相互耦合影响。基于火箭的多体系统模型分别开展姿控回路、Pogo回路以及耦合大回路三种情况下的稳定性分析，通过结果对比阐明了大型捆绑火箭的姿控回路可影响Pogo稳定性，空间耦合模态对姿控回路和Pogo回路间的耦合程度有关键影响，从而明确了耦合大回路稳定性分析的必要性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-20
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 相关领域研究进展  11-18
    1.2.1 变质量箭体动力学的研究进展  11-12
    1.2.2 充液贮箱晃动的研究进展  12-13
    1.2.3 火箭分离动力学的研究进展  13-14
    1.2.4 火箭跨音速抖振的研究进展  14-15
    1.2.5 液体火箭 Pogo 振动的研究进展  15-16
    1.2.6 多体动力学的发展综述  16-18
    1.2.7 多体动力学在航天航空中的应用  18
  1.3 本文主要内容  18-20
第2章液体火箭的多体动力学建模方法  20-77
  2.1 概述  20-21
  2.2 未加注火箭的多体动力学建模  21-23
  2.3 变质量质点系的达朗贝尔-拉格朗日原理  23-26
  2.4 柔性变质量充液贮箱的多体动力学建模  26-37
    2.4.1 充液贮箱的基本假设  27
    2.4.2 贮箱单元概述  27
    2.4.3 贮箱单元的变形描述  27-30
    2.4.4 贮箱单元中液体微团的运动  30-34
    2.4.5 贮箱单元的动力学方程  34-37
  2.5 充液贮箱时变晃动的动力学建模  37-42
  2.6 时变控制的建模方法  42-43
  2.7 分离过程的建模方法  43-44
  2.8 脉动压力随机样本的时域再现  44-49
    2.8.1 周期信号的离散功率谱  45-46
    2.8.2 随机信号的功率谱密度及意义  46-47
    2.8.3 生成随机样本的谐波叠加法  47-49
  2.9 其它外载荷的动力学建模  49-51
    2.9.1 地心引力  49-50
    2.9.2 时变推力  50
    2.9.3 时变空气动力  50-51
  2.10 液体火箭动力学方程的数值算法  51-52
  2.11 算例验证  52-75
    2.11.1 变质量充液贮箱单元的算例验证  53-61
    2.11.2 变质量质点的动力学仿真  61-63
    2.11.3 时变控制的算例验证  63-69
    2.11.4 分离过程的仿真验证  69-74
    2.11.5 随机样本再现的算例验证  74-75
  2.12 本章小结  75-77
第3章大型捆绑液体火箭飞行的动力学仿真  77-106
  3.1 概述  77
  3.2 大型捆绑液体火箭的多体动力学模型  77-80
  3.3 飞行箭体的动力学行为  80-89
    3.3.1 不计抖振的箭体动力学行为  80-85
    3.3.2 脉动压力对火箭动力学行为的影响  85-89
  3.4 箭体结构振动与动载荷  89-100
    3.4.1 飞行过程中的箭体结构振动  91-94
    3.4.2 飞行箭体的结构动载荷  94-100
  3.5 助推器分离过程的动力学仿真  100-104
  3.6 本章小结  104-106
第4章液体火箭“结构-姿控-Pogo”耦合大回路的稳定性  106-118
  4.1 概述  106-107
  4.2 液体火箭耦合大回路的多体系统模型  107-109
  4.3 火箭姿控回路的稳定性分析  109-111
  4.4 液体火箭 Pogo 回路的稳定性分析  111-113
  4.5 液体火箭耦合大回路的稳定性分析  113-115
  4.6 姿控回路和 Pogo 回路的耦合影响  115-117
  4.7 本章小结  117-118
第5章总结与展望  118-121
  5.1 全文总结  118-120
  5.2 研究展望  120-121
参考文献  121-127
致谢  127-129
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  129

液体火箭的多体动力学建模与仿真研究

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