● 摘要
液体捆绑火箭的姿态动力学与结构动力学建模一直是一个具有挑战性的课题。液体晃动和结构振动对姿态的影响，姿态变化对液体晃动和结构振动的影响都比较复杂，尤其是助推器与芯级火箭之间的结构振动耦合，可能会产生极其复杂的纵、横向振动以及扭转振动。迄今为止，国内还没有一个被业界广泛认可的捆绑火箭动力学模型，建立足够精确的火箭结构动力学与姿态动力学模型成为了相关单位的当务之急。本文在充分考虑火箭姿态和结构振动因素的情况下，建立了适用于捆绑火箭的液体晃动模型，该模型等效为弹簧-阻尼器模型后，反作用于刚性箭体，作为火箭姿态运动的干扰项。将火箭抽象为传统受力梁，建立了火箭结构振动模型。结合有限元单元原理，分析了火箭结构弹性变形所带来的附加气动力、附加气动力矩，弹性转角产生的推力变化及推力力矩。以牛顿力学为出发点，综合考虑了燃料晃动、箭体结构振动以及二者的交联影响产生的力与力矩对箭体姿态运动的影响，给出了可用于工程实际的捆绑火箭动力学模型，为火箭姿态控制系统的设计提供了依据。同时，以一组虚拟的数据为基础，对文中建立的模型进行了数值仿真，仿真结果表明文中建立的相关模型比传统的模型更为完善。由仿真结果得到的相关的结论，可为后续的研究提供参考。