文档介绍：西北工业大学
硕士学位论文
重复使用跨大气层飞行器动力学虚拟样机设计
姓名:闫晓东
申请学位级别:硕士
专业:飞行器设计
指导教师:唐硕
20050301
北业、学硕学位论文
摘要
重父使用跨大气层飞行器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的研制
工作,我国“”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的上升段进行仿真计算。在建立样机之
前,本文首先建立了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
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。
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、太阳模型以及坏境对飞行器的摄动影响等。
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,即在上搭建了系
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、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
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
的模型设计规范所开发完成的。
搭建了各个子系统的样机模型。是由多个子系统构成的,首先对
系统进行分析,划分了样机系统的层次结构,然后以仿真功
西化了业大学硕尸位论文
能模块为基础,裕建了各个子系统的样书模型。协个样机模型均完成
一定的仿真功能,如质心运动子系统,他川来计算曰器的质心运动
规律。将这些子系统联系起来,可以组建成更大的了系统。
搭建了系统的样机模型。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
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数字仿真数学模
型仿真模型
州仁仁业人学学位文
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西化业大学硕学位论
西仁了业人学倾卜学位论交比
第一章绪论
人类探索宇宙、利用宇宙的脚步不会停止,随着技术的发展,人类必将越来
越频繁地从地球表面进入宇宙空间。传统的一次性火箭对于人类进入字宙空间起
到了不可替代的作用,但是也存在一定的缺陷,为了更好地实现空天往返运输计
划,各个航天大国积极地对跨大气层重复使用跨大气层飞行器进行研究,并且取
得了长足的进展。
,研究背景
重复使用跨大气层飞行器概述
世纪中期,冯·布劳恩和钱学森就提出了重复使用天地往返运输系统的概
念。重复使用跨大气层飞行器是指可以重复使用的、能够迅速穿越大
气层、自由地往返于地球表面与太空之间的多用途航天器。它既可以快速、方便
地向空间运送有效载荷,也可以较长时间在轨停留和在轨机动,完成各种空间任
务完成任务后,还可以安全、准确地降落在地面。因此它是航天、航空技术高
度融合的结晶。可以说,就是今后人类往返于太空的高速公路。
重复使用跨大气层行器通常要求要像火箭一样将有效载荷迅速送入空间
轨道,同时在完成任务后又能够像飞机一样安全准确地返回地面基地,而且要求
能够廉价、迅速、机动、可靠地完成天地往返运输任务。相对于一次性运
载火箭,重复使用跨大气层飞行器有以下几个特点
发射成本大幅度降低。如何降低发射费用是整个航天工业界当前面临的