(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111452079.8 (22)申请日 2021.12.01 (71)申请人 航天科工火箭 技术有限公司 地址 430000 湖北省武汉市新洲区阳逻经 济开发区红岗村阳逻开发区管委会五 楼504室 (72)发明人 梁家伟　马道远　罗庶　杨跃　 朱佩婕　丁吉坤　王铭刚　左果　 赵学光　刘浩　胡智珲　郑洪伟　 马征　刘畅　周末　 (74)专利代理 机构 武汉智汇为专利代理事务所 (普通合伙) 42235 专利代理师 李恭渝 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法 (57)摘要 本申请涉及一种可重复使用火箭的着陆载 荷优化设计方法， 包括以下步骤： 构建可重复使 用火箭的全箭简化模型； 在火箭着陆与地面碰撞 阶段， 设计简化动力学模型A， 在缓冲器缓冲阶 段， 设计简化动力学模型B， 建立动力学方程式 一； 依据简化动力学模型B建立完整的动力学方 程二； 需确定缓冲器中刚度、 阻尼为优化参数， 确 定缓冲器压缩 行程为约束条件， 确定箭体过载为 优化目标， 确定迭代次数； 进行优化迭代 计算； 优 化迭代后， 得到所有迭代中最小过载， 并获得对 应的最优缓冲器参数。 本申请具有以下可预期的 技术效果： 设计简化动力学模型， 以该模型实现 快速迭代， 利用非线性规划的方法优化设计缓冲 器参数， 得到最优箭体过载， 从而达到优化着陆 载荷的目的。 权利要求书3页 说明书7页 附图7页 CN 114662270 A 2022.06.24 CN 114662270 A 1.一种可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一， 构建可重复使用火箭的全箭简化模型， 全箭简化模型包括模拟箭体外形的中 心圆柱、 模拟支腿的细杆构件、 模拟足垫的方形构件以及 模拟缓冲器的弹簧构件， 弹簧构件 连接于细杆构件和方 形构件之间； 步骤二， 在火箭着陆与地面碰撞阶段， 主要为足垫与地面的碰撞， 依据 该阶段动力学特 性， 设计简化动力学模 型A， 将箭体、 支腿、 足垫看作整体 分析对象； 在缓冲器缓冲阶段， 以缓 冲器压缩作为主要承力部件， 设计简化动力学模 型B， 将箭体、 支腿看作第一分析对象， 将足 垫看作第二分析对象， 箭体、 支腿与足垫之 间的动力学过程用缓冲器参数刚度、 阻尼进行描 述； 基于简化动力学模型A和简化动力学模型B， 足垫与地面的碰撞动力学过程的动力学方 程式一如下： 式中， kp为碰撞中足垫与地面的接触刚度； δ为足垫压进 地面的深度， 即渗透深度； e为非 线性指数； cp为碰撞中接触阻尼； vp为碰撞中足垫相对地面速度； d为全阻尼渗透深度； cpmax 为碰撞中最大接触阻尼； Fnormal为碰撞中足垫与地 面的法向接触力； 步骤三， 依据简化动力学模型B建立完整的动力学 方程， 动力学 方程式二 为： k2＝kp·u2e/u2,c2＝cp 式中， u1为第一分析对象相对地面的位移； m1为第一分析对象的质量； u2为第二分析对 象相对地面的位移， 即渗透深度； m2为第二分析对象 ‑足垫质量； k1为缓冲器等效定 刚度， 为 常值； c1为缓冲器等效定阻尼， 为常值； k2为碰撞中等效定刚度， 为常值； c2为碰撞中等效定 阻尼， 为常值； 表示u1对时间的1阶导数， 表示u1对时间的2阶导数， 表示u2对时间的1 阶导数， 表示u2对时间的2阶导数； 步骤四， 在优化前， 需确定缓冲器中刚度、 阻尼为优化参数， 确定缓冲器压缩行程为约 束条件， 确定箭体过 载为优化目标， 确定迭代次数； 步骤五， 开始优化， 首先输入箭体和支腿质量、 足垫质量、 接触刚度、 初始接触阻尼、 最 大迭代次数、 优化 参数初值； 步骤六， 然后判断当前足垫位移是否大于全阻尼渗透深度， 进而重新确定接触阻尼大 小； 步骤七， 接着带入动力学方程式二进行计算， 得到当前优化参数下最大过载及缓冲器 行程， 再接着判断是否超 出最大迭代次数， 若超 出， 则结束优化， 并进 行下一个步骤； 若 未超 出， 则利用非线性 规划重置初始参数， 并回到步骤五， 实现循环迭代；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114662270 A 2步骤八， 优化迭代完毕后， 得到所有迭代中最小过载， 并获得对应的最优缓冲器参数， 即定刚度与定阻尼。 2.根据权利要求1所述的可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法， 其特征在于： 以油 气式缓冲器为例， 其刚度与阻尼特性表征为 非线性， 缓冲器缓冲的实质是能量的转化， 在相 同缓冲器行程和速度下， 使缓冲器回复力、 阻尼力所做的功分别等于在设计时由最优定刚 度下的回复力、 最优定阻尼下的阻尼力所做的功； 在工程上， 油气式缓冲器回复力、 阻尼力的计算方法分别为： 式中： Fs为空气回复力， P0为缓冲器初始充压， A0为气室面积， V0为充气体积， Xs为缓冲器 行程， γ为气体多方指数， Fc为油液阻尼力， ρ 为油液密度， Dc为油孔流量系数， Ac1为正行程 油室油孔 面积， Ac2为负行程油室油孔 面积； 上述各参数中， 对于回复力， 缓冲器初 始充压为主要设计参数P0； 对于阻尼力， 油室油孔 面积Ac1、 Ac2为主要设计参数， 其 余参数由几何关系 、 物性参数和工程经验得到； 缓冲器回复力与阻尼力所做 功的计算方式为： 由此可设计得到缓冲器初始充压P0、 正行程油室油孔面积Ac1和负行程油室油孔面积 Ac2， 并得到缓冲器行程 ‑回复力、 速度 ‑阻尼力曲线。 3.根据权利要求2所述的可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法， 其特征在于： Kp、 cp、 e受足垫和地面物性属性影响， Kp、 cp、 e的值均可通过试验或经验获取， 且当地面与足垫 皆为干燥钢材时， Kp＝107N/m， cp＝5×104N·s/m， e＝1.5 。 4.根据权利要求3所述的可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法， 其特征在于： 全阻 尼渗透深度d与足垫的结构形状有关， 基于 “赫兹碰撞理论 ”， 当碰撞两物体由 “点接触”逐渐 变为“面接触”时， 随着接触面的增大， 阻尼逐渐增大， 当可重复使用火箭的足垫底部为平整 面时， 火箭的足垫与地面碰撞瞬间接触就为面接触， 因此d取小值， 并令d＝10‑5m， 此时接触 阻尼为常值cpmax＝5×104N·s/m。 5.根据权利要求4所述的可重复使用火箭的着陆载荷优化设计方法， 其特征在于： 基于权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114662270 A 3