低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法与流程

1.本发明属于气动优化设计技术领域，涉及低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法。


背景技术：

2.对于没有捆绑的运载火箭箭体自身通常为旋成体外形，理论上而言无论攻角侧滑角如何均不存在气动干扰的滚转力矩，而通常在箭体表面布置有螺栓(螺栓整流罩)、电缆罩等各种各样的凸起物，由于其不对称布局形成气动干扰滚转力矩，同时由于发动机推力线偏移以及质心偏差等等进一步加剧该干扰滚转力矩。对于固体火箭而言，矢量喷管只能实现俯仰与偏航方向的控制，对于滚转通道则需要借助于姿控喷管或空气舵进行控制。若采用姿控喷管无论从安全性还是运载能力出发均希望能够尽可能减小姿控燃料的携带质量，这就需要尽可能减小干扰的滚转力矩。目前的设计方案虽然能起到部分减小干扰滚转力矩的作用，但均无法达到目标要求。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，实现了尽可能减小气动干扰滚转力矩。
4.本发明解决技术的方案是：
5.低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，包括：
6.确定箭体的气动干扰因素为箭体表面的凸起物；
7.分析各气动干扰因素，确定最主要影响因素为三级电缆罩；
8.对三级电缆罩进行优化；
9.开展基于小滚转力矩的气动特设计。
10.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，凸起物包括整流罩正锥与柱段之间的纵分爆炸螺栓盒、整流罩倒锥上的分离弹簧整流罩、横向分离面爆炸螺栓盒、整流罩铰链、测量系统天线和一、二、三级电缆罩。
11.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，所述纵分爆炸螺栓盒为第一象限、第三象限对称布置；分离弹簧整流罩为均匀分布；横向分离面爆炸螺栓盒为均匀分布；整流罩铰链为均匀分布；测量系统天线为均匀分布；一、二级电缆罩均为四个象限布置；三级电缆罩为第一象限、第三象限对称布置。
12.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，由于气动干扰滚转力矩由于非对称气动布局引起，考虑实际飞行过程中任意方向的攻角与风攻角影响，则均匀分布优于四个象限布置优于无凸起布置。
13.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，迎风条件下，凸起物表面的压力更高，其形成的气动干扰更高；因此主要干扰源为整流罩正锥与柱段上的纵分爆炸螺栓盒和三级电缆罩。
14.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，由于攻角的滚转干扰与凸起物的尺寸正相关，因此三级电缆罩为主要气动干扰因素中的最主要影响因素。
15.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，对三级电缆罩进行优化具体为：
16.将第一象限、第三象限对称分布的三级电缆罩优化为4个象限布置，并保持原有电缆罩高度。
17.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，将三级电缆罩设置为4个象限布置，即将原第一象限、第三象限对称分布的两排三级电缆罩调整为第一象限、第二象限、第三象限、第四象限共四排电缆罩。
18.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，三级电缆罩的优化方式包括3种，分别是取消三级电缆罩、将三级电缆罩优化为4个象限布置和降低三级电缆罩的高度；由于取消三级电缆罩不满足运载火箭的应用需求，降低三级电缆罩的高度不满足结构强度要求，因此选择将三级电缆罩优化为4个象限布置作为优化。
19.在上述的低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，基于小滚转力矩的气动特设计具体为：
20.针对统一马赫数及攻角，将所有方位角下的最大滚转力矩作为该马赫数该攻角下的设计值，即包络所有方位角的滚转力矩气动设计。
21.本发明与现有技术相比的有益效果是：
22.(1)本发明针对某外形大头罩运载火箭，提出一种气动布局优化方法，以尽可能减小气动干扰滚转力矩；
23.(2)本发明采用“均匀分布优于四个象限布置优于无凸起布置”的理论，以及凸起物表面的压力更高，其形成的气动干扰更高的方式，确定了主要干扰源为整流罩正锥与柱段上的纵分爆炸螺栓盒和三级电缆罩；
24.(3)本发明通过采用攻角的滚转干扰与凸起物的尺寸正相关的方式，排除了纵分爆炸螺栓盒，进一步确定三级电缆罩为主要气动干扰因素中的最主要影响因素；
25.(4)本发明考虑凸起物的箭体气动外形实际上为非轴对称外形，不同马赫数、方位角以及攻角下的滚转力矩均不同。一方面数据体量庞大，另一方面由于滚转力矩量值较小，无论风洞试验还是数值试验均会存在较大偏差，因此针对统一马赫数及攻角将所有方位角下的最大滚转力矩作为该马赫数该攻角下的设计值，即包络所有方位角的滚转力矩气动设计。
附图说明
26.图1为本发明运载火箭气动布局及其气动特性优化流程图。
具体实施方式
27.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
28.本发明针对某外形大头罩运载火箭提出低干扰大头罩的运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，，以尽可能减小气动干扰滚转力矩。
29.运载火箭气动布局及其气动特性优化方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
30.步骤一、确定箭体的气动干扰因素为箭体表面的凸起物；凸起物包括整流罩正锥与柱段之间的纵分爆炸螺栓盒、整流罩倒锥上的分离弹簧整流罩、横向分离面爆炸螺栓盒、整流罩铰链、测量系统天线和一、二、三级电缆罩。
31.分析各气动干扰因素，确定最主要影响因素为三级电缆罩；具体分析方法为：
32.所述纵分爆炸螺栓盒为第一象限、第三象限对称布置；分离弹簧整流罩为均匀分布；横向分离面爆炸螺栓盒为均匀分布；整流罩铰链为均匀分布；测量系统天线为均匀分布；一、二级电缆罩均为四个象限布置；三级电缆罩为第一象限、第三象限对称布置。
33.由于气动干扰滚转力矩由于非对称气动布局引起，考虑实际飞行过程中任意方向的攻角与风攻角影响，则均匀分布优于四个象限布置优于无凸起布置。
34.迎风条件下，凸起物表面的压力更高，其形成的气动干扰更高；因此主要干扰源为整流罩正锥与柱段上的纵分爆炸螺栓盒和三级电缆罩。
35.由于攻角的滚转干扰与凸起物的尺寸正相关，因此三级电缆罩为主要气动干扰因素中的最主要影响因素。
36.对三级电缆罩进行优化；三级电缆罩的优化方式包括3种，分别是取消三级电缆罩、将三级电缆罩优化为4个象限布置和降低三级电缆罩的高度；由于取消三级电缆罩不满足运载火箭的应用需求，降低三级电缆罩的高度不满足结构强度要求，因此选择将三级电缆罩优化为4个象限布置作为优化。
37.对三级电缆罩进行优化具体为：
38.将第一象限、第三象限对称分布的三级电缆罩优化为4个象限布置，并保持原有电缆罩高度。将三级电缆罩设置为4个象限布置，即将原第一象限、第三象限对称分布的两排三级电缆罩调整为第一象限、第二象限、第三象限、第四象限共四排电缆罩。
39.开展基于小滚转力矩的气动特设计，具体为针对统一马赫数及攻角，将所有方位角下的最大滚转力矩作为该马赫数该攻角下的设计值，即包络所有方位角的滚转力矩气动设计。
40.本发明的细节步骤如下：
41.1)分析不对称气动干扰因素，确定主要影响因素
42.对于某外形大头罩运载火箭气动外形，其箭体自身为无捆绑旋成体外形，不对称气动干扰因素主要为箭体表面的各种凸起物，包括整流罩正锥与柱段的纵分爆炸螺栓盒、整流罩倒锥上的分离弹簧整流罩、横向分离面爆炸螺栓盒、整流罩铰链、测量系统天线以及一、二、三级电缆罩。其中纵分爆炸螺栓盒为i/iii象限对称布置，一二级电缆罩为四个象限均布，三级电缆罩为i/iii象限对称布置，其他倒锥上凸起物为相对均匀布置。
43.气动干扰滚转力矩主要由于非对称气动布局引起，考虑实际飞行过程中任意方向的攻角与风攻角影响，则均布优于四象限布置由于两象限布置由于无凸起布置。另一方面，对于迎风条件下，凸起物表面的压力更高，其形成的气动干扰也就更高，因此倒锥上的凸起物干扰低于其他部位的凸起物干扰。由此可见主要干扰源为整流罩正锥与柱段上的总分爆炸螺栓盒与三级电缆罩。进一步的，考虑攻角的滚转干扰与凸起物的尺寸正相关，因此三级电缆罩为最主要干扰源。基于数值仿真分析的结果同样可以验证该分析过程及结果。
44.2)确定优化目标，形成优化布局
45.根据上一步明确了三级电缆罩为主要干扰源，同时基于分析认为无凸起优于四象限布置优于两象限对称布置。因此优化目标首先为取消三级电缆罩，其次为将两排电缆罩调整为四排电缆罩，进一步的可降低电缆罩高度。与结构、地面等专业开展深入沟通分析，确定最终优化布局为保持原有电缆罩高度，增加为四排电缆罩气动布局。
46.3)开展基于小滚转力矩的气动特设计
47.考虑凸起物的箭体气动外形实际上为非轴对称外形，不同马赫数、方位角以及攻角下的滚转力矩均不同。一方面数据体量庞大，另一方面由于滚转力矩量值较小，无论风洞试验还是数值试验均会存在较大偏差，因此针对统一马赫数及攻角将所有方位角下的最大滚转力矩作为该马赫数该攻角下的设计值，即包络所有方位角的滚转力矩气动设计。
48.本发明针对某外形大头罩运载火箭，提出一种气动布局优化方法，以尽可能减小气动干扰滚转力矩；本发明采用“均匀分布优于四个象限布置优于无凸起布置”的理论，以及凸起物表面的压力更高，其形成的气动干扰更高的方式，确定了主要干扰源为整流罩正锥与柱段上的纵分爆炸螺栓盒和三级电缆罩；本发明通过采用攻角的滚转干扰与凸起物的尺寸正相关的方式，排除了纵分爆炸螺栓盒，进一步确定三级电缆罩为主要气动干扰因素中的最主要影响因素；本发明考虑凸起物的箭体气动外形实际上为非轴对称外形，不同马赫数、方位角以及攻角下的滚转力矩均不同。一方面数据体量庞大，另一方面由于滚转力矩量值较小，无论风洞试验还是数值试验均会存在较大偏差，因此针对统一马赫数及攻角将所有方位角下的最大滚转力矩作为该马赫数该攻角下的设计值，即包络所有方位角的滚转力矩气动设计。
49.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。