基于向量理論的航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算方法，特別是一種基于向量理論 的航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算方法，屬于航天器總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩的計(jì)算結(jié)果，是決定航天器布局的重要依據(jù)，也是檢 驗(yàn)是否滿足運(yùn)載和控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的依據(jù)。由于航天器質(zhì)心偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量偏 差及總裝偏差，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火期間會(huì)產(chǎn)生干擾力矩。
[0003] 在航天器總裝階段，航天器總體根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位提供的熱標(biāo)數(shù)據(jù)，需提出發(fā) 動(dòng)機(jī)的安裝要求。變軌期間的干擾力矩越小越好。
[0004] 以往在計(jì)算干擾力矩時(shí)，由于計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，以往的做法是按照發(fā)動(dòng)機(jī)熱標(biāo) 參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的理論參數(shù)計(jì)算出近似值，而未建立精確的數(shù)學(xué)模型并根據(jù)精測(cè)數(shù)據(jù)計(jì) 算出精確值。然而，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，近似值可能存在較大的偏差。
[0005] 所以，有必要研究航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩的精確計(jì)算方法。通過(guò)本發(fā)明提供 的方法，設(shè)計(jì)師能夠精確計(jì)算航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩的大小，避免變軌期間發(fā)動(dòng)機(jī)干 擾力矩不滿足運(yùn)載和控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于向量理論的航 天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算方法，針對(duì)航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算過(guò)程，根據(jù)各個(gè) 坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系，推導(dǎo)出各個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，提出基于向量理論的計(jì)算方法，建 立精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩的精確計(jì)算，提高了航天器變軌發(fā) 動(dòng)機(jī)干擾力矩的精確度，最大程度上滿足了航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算的需求。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：基于向量理論的航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算方 法，步驟如下：
[0008] (1)定義航天器機(jī)械坐標(biāo)系Cs、航天器質(zhì)心坐標(biāo)系Ce、發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系C eb、發(fā)動(dòng) 機(jī)精測(cè)鏡本體坐標(biāo)系CM、發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系Cn和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei，并確 定各個(gè)坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系；
[0009] 所述航天器機(jī)械坐標(biāo)系(^的原點(diǎn)位于衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的機(jī)械分離面內(nèi)，且與機(jī)械 分離面內(nèi)基準(zhǔn)定位銷所組成理論圓的圓心重合，Xs軸正方向從坐標(biāo)原點(diǎn)指向航天器東板，Ys軸正方向從坐標(biāo)原點(diǎn)指向航天器南板，Zs軸滿足右手定則；
[0010] 所述航天器質(zhì)心坐標(biāo)系Cc由所述航天器機(jī)械坐標(biāo)系(^平移得到，航天器質(zhì)心坐標(biāo) 系Ce的原點(diǎn)位于航天器質(zhì)心；
[0011] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系Ceb的坐標(biāo)原點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭的理論圓心A，X ^軸 正方向與航天器機(jī)械坐標(biāo)系Zji正方向一致，Yeb軸正方向與航天器機(jī)械坐標(biāo)系Ys軸負(fù)方 向一致，Zeb軸正方向與航天器機(jī)械坐標(biāo)系Xji正方向一致；
[0012] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡本體坐標(biāo)系Cm的坐標(biāo)原點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心B，Z M軸正 方向與Xeb軸的負(fù)方向一致，Xm軸正方向與Ceb坐標(biāo)系下Xe^正方向之間的夾角為θ°，Y M軸正方向與Yeb軸正方向之間的夾角為θ° ;
[0013] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系Cn由發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡本體坐標(biāo)系Cm旋轉(zhuǎn)得到， 發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系Cn的坐標(biāo)原點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心B，Z Ν軸的正方向 沿發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何軸線指向噴口方向，Xn軸和Yn軸所在平面與精測(cè)鏡的鏡面共面；
[0014] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei由發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系C N平移得到，發(fā)動(dòng) 機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei的坐標(biāo)原點(diǎn)與安裝法蘭的理論圓心A重合；
[0015] (2)根據(jù)預(yù)先給定的推力矢量偏斜角α、推力矢量Fv橫移位置角β、推力矢量# 偏斜位置角γ和推力矢量作用點(diǎn)P的橫移量S，在發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系cEB坐標(biāo)系下，計(jì)算 發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量feb和作用點(diǎn)位置矢量;
[0016] 具體由公式
[0019] 給出，式中，F(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)推力，推力矢量偏斜角α為發(fā)動(dòng)機(jī)Xeb軸正方向與推力矢 量F之間的銳角；推力矢量橫移位置角β為Yeb軸正方向與推力矢量F在YebOebZ eb平面投 影之間的夾角，推力矢量偏斜位置角γ為Yeb軸與之間的夾角，推力矢量橫移量S 為推力作用點(diǎn)距坐標(biāo)原點(diǎn)(^的距離；
[0020] (3)根據(jù)步驟（2)中計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量Feb和作用點(diǎn)位置矢量(O eeP)ai，計(jì)算 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei下發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量Fei、航天器機(jī)械坐標(biāo)系Cs下坐標(biāo)原點(diǎn)Oglj發(fā)動(dòng)機(jī) 安裝法蘭理論圓心A的向量和航天器機(jī)械坐標(biāo)系Cs下發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭理論圓心A 到發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量作用點(diǎn)P的向；
[0021] 具體由公式：
[0025] 給出，式中，(OhlP)u為在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系C ei下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用點(diǎn)位置矢量； RiL為從發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系Ceb到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei的坐標(biāo)變換矩陣；
[0026] 為航天器機(jī)械坐標(biāo)系CJI點(diǎn)1到發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心B的向量;{BA)S% 在航天器機(jī)械坐標(biāo)系(；下，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心B到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭理論圓心A的向量；
[0027] (4)利用步驟（3)中的結(jié)果，計(jì)算航天器機(jī)械坐標(biāo)系CVf，發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量FjP 作用點(diǎn)位置向量
[0028] (5)根據(jù)步驟（4)中的結(jié)果，以及航天器機(jī)械坐標(biāo)系Cs下變軌發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)航天 器質(zhì)心的位置向量5計(jì)算推力矢量F對(duì)航天器質(zhì)心Oc的力矩M，即為航天器變軌發(fā) 動(dòng)機(jī)干擾力矩；
[0029] (6)若步驟（5)中的干擾力矩大于預(yù)先設(shè)定的閾值，則增加航天器配重或調(diào)整發(fā) 動(dòng)機(jī)指向，重復(fù)步驟（3)~步驟（5)，直至干擾力矩小于等于預(yù)先設(shè)定的閾值。
[0030] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系Ceb和發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡本體坐標(biāo)系C M均為局部坐標(biāo)系。
[0031] 所述發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系Cn由發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡本體坐標(biāo)系Cm旋轉(zhuǎn)得到， 旋轉(zhuǎn)的角度小于等于3°。
[0032] 所述步驟⑶中|；H)V具體由公式：
[0034] 給出，其中、為發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系Cn下，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心 B到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝法蘭理論圓心A的向量，Eg為預(yù)先給定的發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系 Cn到航天器機(jī)械坐標(biāo)系Cs的坐標(biāo)變換矩陣。
[0035] 所述（似)、具體由公式：
[0037] 給出；IbaI為預(yù)先給定的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口理論圓心B至安裝法蘭理論圓心A距離。 [0038] 所述步驟（3)中的(〇,,/%具體由公式：
[0040] 給出。
[0041] 所述步驟（4)中利用步驟（3)中的結(jié)果，計(jì)算航天器機(jī)械坐標(biāo)系CVf，發(fā)動(dòng)機(jī)推 力矢量Fs和作用點(diǎn)位置向量，具體由公式：
[0044] 給出，式中，Rl1為從發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei到航天器機(jī)械坐標(biāo)系C s的坐標(biāo)變換矩 陣，具體由公式：
[0046] 給出，式中，R&為從發(fā)動(dòng)機(jī)安裝坐標(biāo)系Cei到發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)鏡鏡面與法線坐標(biāo)系C N 的坐標(biāo)變換矩陣，具體由公式：
[0048] 給出。
[0049] 所述步驟（5)根據(jù)步驟⑷中的結(jié)果，以及航天器機(jī)械坐標(biāo)系(；下變軌發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn) 火時(shí)航天器質(zhì)心的位置向量(^"^1，計(jì)算推力矢量F對(duì)航天器質(zhì)心Oc的力矩M，即為航天 器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩；
[0050] 具體由公式：
[0052] 給出。
[0053] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0054] (1)本發(fā)明針對(duì)航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩問(wèn)題，由于計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，以往利 用發(fā)動(dòng)機(jī)熱標(biāo)參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的理論參數(shù)（非精測(cè)值）計(jì)算出近似值，與精確值之間可 能存在較大的偏差，針對(duì)航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩計(jì)算過(guò)程，提出了基于向量理論的計(jì) 算方法，建立了精確的數(shù)學(xué)模型，利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱標(biāo)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)精測(cè)數(shù)據(jù)、航天器質(zhì)量特性， 實(shí)現(xiàn)了航天器變軌發(fā)動(dòng)機(jī)干擾力矩的精確計(jì)算；
[0055] (2)本發(fā)明基于航天器的安裝關(guān)系和自身結(jié)構(gòu)建立了六個(gè)坐標(biāo)系，并且根據(jù)六個(gè) 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在不同的坐標(biāo)系之間完成精確數(shù)學(xué)模型的建立，基于此建立的數(shù) 學(xué)模型更加準(zhǔn)確和直觀。
【附圖說(shuō)明】
[0056] 圖1為本發(fā)明所涉及方法的流程圖；
[0057] 圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)本體坐標(biāo)系與航天器機(jī)械坐標(biāo)系示意圖；
[0058] 圖2中，Xs、Ys、Zs為航天器機(jī)械坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸，X、Y、Z為發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo) 軸；
[0059] 圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)支架上的安裝示意圖；
[0060] 圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)支架之間緊固件安裝示意圖；
[0061] 圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)熱標(biāo)參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系下的空間示意圖；
[0062] 圖6為各定義坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系圖；
[0063] 圖7為變軌發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系示意圖；
[0064] 圖8為力矩計(jì)算