并联两级可重复使用运载器(Reusable launch vehi cle—RLV)是由升力体外形的轨道器和升力体外形的助推器并联组成的、以火箭发动机为动力、垂直起飞、水平着陆的两级可重复使用运载器。在上升飞行段轨道器和助推器分离前,助推器发动机提供上升总动力;分离后,助推器滑翔返回,水平着陆;而轨道器在分离点发动机点火,继续爬升入轨,完成在轨任务后返回,水平着陆。它不仅可以多次重复使用,还可以快速、方便地向空间运送有效载荷,较长时间地在轨停留和在轨机动,完成各种空间作业。RLV同时具有很高的军事和民用价值,受到高度重视。 RLV的研制技术难度大,系统集成性强,具有很多关键技术。在研制其物理样机之前,非常有必要建立RLV系统的虚拟样机,以优选设计方案、评估飞行器性能、验证关键技术设计。本文参考运载火箭、弹道导弹和航天飞机数学模型和运行过程,针对并联两级可重复使用运载器特性,将运行过程划分为上升段、级间分离段等九个飞行阶段,并给出相应数学模型,建立仿真模型。这些模型包括: 1.通用模型: 1) 基础算法库:包括常用坐标系定义、欧拉角的定义、仿真算法库的建立等; 2) 环境模型库:包括大气模型、地球模型、月球模型、太阳模型等: 3) 力与力矩模型库:包括动力系统、气动力与力矩、引力等。其中动力系统包括主推进系统、轨道机动系统和反作用控制系统; 4) 运动学与动力学模型库:包括质心与姿态的动力学和运动学方程。 2.分段模型: 1) 上升段模型:分为组合体上升和轨道器上升入轨: 2) 级间分离段模型:建立面对称并联式分离、轴对称并联分离和串联式分离; 3) 返回段模型:包括轨道再入段、能量管理段、进场着陆段; 4) 助推器返回模型:分为自由段、转弯段和滑翔到能量管理界面、能量管理段、进场着陆段。 在此基础上,并充分考虑样机的合理性、可重用性、可扩展性以及易用性,建立上升段、分离段、轨道器在轨段、轨道器再入段、轨道器能量管理段、轨道器着陆段、助推器返回段、助推器能量管理段和助推器着陆段九个独立的子系统,并建立RLV整个飞行过程的虚拟样机系统。从仿真结果和可靠性对比验证分析可知,该样机能够满足粗粒度的RLV仿真要求,得到的结果合理可信。