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可重复使用飞行器再入制导方法研究

作　者: 董晨
导　师: 杨明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 再入制导可重复使用飞行器轨迹规划轨迹跟踪
分类号: V448.235
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

与传统的天地往返运输系统相比,新一代可重复使用飞行器具有更高的可靠性、更低的发射成本以及更少的发射准备时间,能够实现快速、可靠、经济的进入空间的目标,因此受到世界各国的普遍关注。由于再入过程中的飞行环境异常复杂,保证飞行安全并满足任务要求的制导精度对再入制导提出了严峻的挑战。因此,需要对可重复使用飞行器的再入制导方法进行深入的研究。本文对可重复使用飞行器的再入制导方法进行了较为深入的研究:首先,在建立可重复使用飞行器再入模型的基础上,本文对可重复使用飞行器质心运动进行分析,提出再入制导问题,明确飞行器再入过程中的各种约束,并根据再入飞行各阶段的不同目的对轨迹进行分段。然后,将再入制导问题分为纵向再入轨迹规划问题、纵向轨迹跟踪问题和侧向再入制导问题,给出纵向再入走廊的计算算法,并说明影响其形状的各因素。在纵向再入轨迹规划中,引入两个轨迹过渡条件,提出一种同时设计连续的参考攻角剖面与参考倾侧角剖面的规划方法,保证各段纵向参考轨迹满足约束并光滑衔接。由于纵向参考轨迹规划过程中采用近似条件造成航程损失,在线性化质心运动方程的基础上,利用LQR方法设计纵向轨迹跟踪律,通过修正并平滑参考攻角剖面与参考倾侧角剖面,使得可重复使用飞行器满足再入任务对航程的要求。在侧向制导中,本文采用一种具有较好通用性的侧向再入制导方法为RLV设计侧向再入制导律。最后,在多种具有代表性的再入任务假定以及空气动力系数、大气密度存在偏差或扰动的情况下,通过数值仿真对本文研究的再入制导方法进行验证并给出分析和结论。数值仿真结果表明,本文研究的再入制导方法具有较好的适应性和一定的鲁棒性。该方法具有较好的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题的研究背景、目的及意义  9-10
  1.2 课题的研究历史及现状  10-13
    1.2.1 基于参考轨迹的制导方法  10-12
    1.2.2 预测校正制导方法  12-13
  1.3 本文的研究内容  13-15
第2章可重复使用飞行器再入制导理论基础  15-30
  2.1 可重复使用飞行器再入制导的数学模型研究  15-26
    2.1.1 坐标系定义及坐标系间的转换矩阵  15-18
    2.1.2 可重复使用飞行器质心运动模型研究  18-23
    2.1.3 大气模型  23-24
    2.1.4 空气动力学模型  24-25
    2.1.5 航程、待飞航程和横程计算模型  25-26
  2.2 可重复使用飞行器质心运动分析  26
  2.3 再入制导问题概述  26-27
  2.4 再入过程中的约束条件分析  27-29
    2.4.1 轨迹约束  27-28
    2.4.2 终端约束  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章可重复使用飞行器纵向再入轨迹规划方法研究  30-47
  3.1 纵向再入走廊分析  30-33
    3.1.1 纵向再入走廊  30-32
    3.1.2 准平衡滑翔条件  32
    3.1.3 倾侧角约束  32-33
  3.2 再入轨迹特性分析  33-34
  3.3 再入任务假定及纵向再入制导需求分析  34-35
    3.3.1 再入任务假定  34
    3.3.2 纵向再入制导需求分析  34-35
  3.4 初始下降段轨迹规划方法研究  35-38
    3.4.1 轨迹过渡条件  35-36
    3.4.2 轨迹过渡对轨迹控制量的要求  36-37
    3.4.3 初始下降段轨迹规划方案  37-38
  3.5 终端校准段轨迹规划方法研究  38-40
    3.5.1 终端校准段标准轨迹  38
    3.5.2 终端校准段的标准轨迹跟踪  38-39
    3.5.3 终端校准段轨迹规划方案  39-40
  3.6 准平衡滑翔段轨迹规划方法研究  40-43
    3.6.1 纵向参考轨迹连续性的保证  40-41
    3.6.2 速度对待飞航程的变化率  41
    3.6.3 准平衡滑翔段轨迹规划方案  41-43
    3.6.4 无需规划终端校准段轨迹时的解决方案  43
  3.7 纵向参考轨迹设计结果及分析  43-45
  3.8 本章小结  45-47
第4章可重复使用飞行器纵向轨迹跟踪及侧向制导方法研究  47-57
  4.1 纵向轨迹规划方法存在的问题  47-48
  4.2 可重复使用飞行器的纵向运动方程  48-50
    4.2.1 纵向质心运动方程及其化简  48-49
    4.2.2 简化质心运动方程线性化  49-50
  4.3 纵向轨迹跟踪方法研究  50-52
    4.3.1 无限时间状态调节器问题  50-51
    4.3.2 纵向轨迹跟踪律设计  51-52
  4.4 可重复使用飞行器的侧向再入制导方法  52-53
  4.5 纵向轨迹跟踪结果与分析  53-54
  4.6 侧向再入制导结果与分析  54-55
  4.7 本章小结  55-57
第5章可重复使用飞行器再入制导仿真验证及分析  57-67
  5.1 可重复使用飞行器再入制导算法以及仿真流程  57-58
  5.2 多种再入任务假定下的仿真结果与分析  58-62
  5.3 存在偏差和扰动情况下的仿真结果与分析  62-66
    5.3.1 法向力系数存在偏差时的仿真结果及分析  62-63
    5.3.2 轴向力系数存在偏差时的仿真结果及分析  63-64
    5.3.3 大气密度存在偏差时的仿真结果及分析  64-65
    5.3.4 大气密度存在随机扰动时的仿真结果及分析  65-66
  5.4 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-73
攻读学位期间发表的学术论文  73-75
致谢  75

可重复使用飞行器再入制导方法研究

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