一种探空火箭气动外形优化目标函数的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于飞行器外形设计优化领域，具体涉及一种探空火箭气动外形优化的目 标函数确定方法。
【背景技术】
[0002] 探空火箭是进行空间探测和科学试验不可或缺的有效工具，自1945年美国喷气 推进实验室（JPL)发射第一枚探空火箭Wac Corporal以来，人类已发射数千枚探空火箭， 在气象探测、空间环境探测、微重力实验、生物实验及空间新技术验证等领域取得了大量应 用成果。随着临近空间飞行器的快速发展与空间科学研究的不断进步，探空火箭使用模式 必将不断拓展，在空间探测和科学试验领域发挥越来越广泛的应用。合理设计优化探空火 箭气动外形对提高总体性能至关重要，其核心目标是在满足稳定性约束、气动加热约束的 条件下最大限度降低空气阻力、提高弹道顶点高度，气动外形设计优化问题目标函数的合 理确定是达成这一目标的根本保证，直接决定了设计优化结果性能，并对优化效率有显著 影响。目前国内外探空火箭气动外形设计优化目标函数确定方法主要分两类：一是结合弹 道仿真，以弹道顶点高度最高等弹道特征数据为目标函数，二是选取若干弹道特征点加权 阻力系数最小作为目标函数，前者得到的外形优化结果可最大限度提高弹道顶点高度，改 善火箭性能，但单次目标函数计算过程需依次完成气动特性计算与弹道积分，耗时较长；后 者目标函数获取只涉及气动特性计算，较为方便，加权系数选取存在较大主观性与随意性， 不能最大限度提尚弹道顶点尚度。
【发明内容】
[0003] 为克服探空火箭气动外形设计优化过程现有目标函数确定方法在优化效率与优 化结果性能上的不足，本发明提供一种探空火箭气动外形优化目标函数的确定方法。本发 明以气动阻力沿弹道上升段所致动量损失最小为出发点，基于严格推导确定弹道特征点与 加权系数，以弹道特征点加权阻力系数最小作为探空火箭气动外形优化目标函数。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种探空火箭气动外形优化目标函数的确定方法，具体包括以下步骤：
[0006] 第一步：给出火箭上升段初始弹道数据，火箭上升段初始弹道数据包括时间、高 度、马赫数、攻角、动压参数；
[0007] 第二步：火箭上升段初始弹道数据预处理，剔除弹道飞行后期动压较小的弹道数 据，确定弹道特征点；
[0008] 探空火箭的弹道动压q在火箭上升段[0, ts]后期弹道动压数值相对较小，如图1 所示，动压数值较小的飞行段火箭动量损失也较小，在确定探空火箭气动外形优化目标函 数过程中可不予考虑。设时刻t。满足下式：
[0009]
(1)
[0010] 式中，C为约等于1但小于1的常数，一般可取为0. 99~0. 999间的常数。
[0011] 本发明在确定探空火箭气动外形优化目标函数时仅考虑[0, tJ时段弹道数据，将 该时段等分为η份，得分段时刻t。，h，t2···，tn 2, tn D tn，时刻（ti i+ti) /2对应的弹道点即为 弹道特征点，其中1，2, 3···，η。
[0012] 第三步：由步骤二得到的[0, tj时段弹道时间、动压参数计算各弹道特征点加权 系数W1;
[0013] 各弹道特征点加权系数根据下式计算：
[0014] (2)
[0015]
[0016] 步骤四：取Cxl为步骤三中各弹道特征点的火箭阻力系数，得目标函数为
[0017] 本发明中，给出的目标函数表达式为：
[0018]
0)
[0019] 式中Cxl为弹道特征点火箭阻力系数。对于多级火箭，不同弹道特征点阻力系数C xl 对应的火箭外形可能不同，但阻力系数参考面积Sraf应注意取同一数值。
[0020] 为更好理解本发明，对目标函数即式（3)的推导过程说明如下：
[0021] 探空火箭外形减阻设计的根本目的是降低上升段气动阻力沿弹道积分所致动量 损失，该动量损失可表示为：
[0022]
[0023] 式中，D为火箭气动阻力；Cx为火箭阻力系数；q为探空火箭的弹道动压；S raf为阻 力系数参考面积。
[0024] 根据步骤二的分析，[UtJ时段弹道动压值相对较小，式（4)中积分值
相对
也较小，在处理过程中可忽略，得：
[0025]
(S)
[0026] 式中，
与？1_近似相等，根据第二步，将[0, t J时段等分为η份， 得分段时刻t。，h，t2…，tn 2, tn η tn，时刻U1 ^t1) /2对应的弹道点即为弹道特征点，式（5) 可化为：
[0027]
[0028] 式中Cxi为（t ; 时刻火箭阻力系数，当Δ t = ? i趋近于零时，上式约等 号取等号。 CN 105160108 A ~P 3/4 页
[0029] 将式（6)左右两边同除以
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 探空火箭方案各个阶段弹道方案的动压历程差异相对较小，即对于火箭初始弹道 与设计完成后的弹道，根据式（8)计算得到的W 1值差异较小，可根据式（7)，结合初始弹道 数据计算火箭外形设计优化的目标函数，如下：
[0034]
(9)
[0035] 本发明的有益效果是：
[0036] (1)目标函数直接体现了气动阻力沿弹道上升段积分所致动量损失，可最大限度 提尚弹道顶点尚度，改善火箭性能；
[0037] (2)目标函数计算只涉及气动学科，操作简便，利于提高优化效率；
[0038] (3)适用于各类探空火箭、各个设计阶段的外形设计；
[0039] (4)可推广应用于其它飞行器气动外形优化的目标函数确定问题。
【附图说明】
[0040] 图1为某探空火箭上升段时间-动压曲线；
[0041] 图2为本发明提出的探空火箭气动外形优化目标函数确定方法流程图；
[0042] 图3为预处理完成后的弹道曲线；
[0043] 图4为弹道特征点状态参数；
[0044] 图5为各弹道特征点对应权重系数；
[0045] 图6为本发明方法与已有方法的优化效率与优化结果性能对比。
【具体实施方式】
[0046] 本发提出的探空火箭气动外形优化目标函数确定方法流程图