基于全寿命周期费用分析的可重复使用运载器级数选择

建立了可重复使用运载器全寿命周期费用模型 ,并利用该费用模型分析了不同级数的可重复使用运载器方案的全寿命周期费用 ,对全寿命周期费用的各部分组成比例及其随级数的变化规律进行了分析。研究结果表明两级入轨的可重复使用运载器方案全寿命周期费用最低 。

基于光滑二阶滑模的可重复使用运载器有限时间再入姿态控制

针对可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)的六自由度再入模型,考虑模型不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,提出了一种非线性鲁棒控制策略.首先,根据多时间尺度特性将RLV的再入姿态模型分为姿态角子系统和姿态角速率子系统.其次,对每个子系统分别设计光滑二阶滑模控制器和滑模干扰观测器实现子系统的有限时间稳定.利用干扰观测器可以实现对不确定和外界干扰的精确估计,从而对控制器进行有效的补偿.进而,基于Lyapunov理论证明了整个系统的有限时间稳定.最后,通过仿真验证了提出的控制策略具有良好的控制性能和鲁棒性.

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。

可重复使用运载器机翼外形优化

研究了有翼可重复使用运载器机翼平面外形参数优化设计问题。在高超声速配平和低速水平着陆性能等约束条件下,利用混合遗传算法和粒子群优化算法来选择最优机翼外形参数,使机翼重量最小化。在已知的不同质心位置下求得相应的最小重量机翼外形。亚声速气动力采用面源法计算,高超声速气动力采用修正的牛顿流理论计算。为了降低计算耗费,使用均匀设计和逐步回归方法建立了低速气动力回归模型。整个优化过程在Matlab集成环境下完成。

第二代可重复使用运载器及其再入制导技术

可重复使用运载器是未来航天运输系统发展的主要方向,各大国正围绕其关键技术开展积极的研究。第2代可重复使用运载器对再入制导技术的自主性、安全性和可靠性提出了更高的要求。分析了各国可重复使用运载器的发展概况,给出了可重复使用运载器再入的特点。重点综述了针对第2代可重复使用运载器开发的各种新型再入制导方法,并讨论了有待深入研究的可重复使用运载器再入制导关键技术。

可重复使用运载器的RCS姿态控制技术研究

反作用控制系统作为可重复使用运载器高空的姿态控制手段,其力矩特性不同于常规的气动操纵面,因此设计适合高空姿态控制特点与要求的控制系统是非常必要的。文中采用了一种带死区的乒乓控制方式,设计了俯仰、滚转和偏航的反馈控制律,采用描述函数法在频率上分析了控制系统的稳定性。仿真结果表明,设计的控制系统能较好的满足高空姿态控制要求,最后对姿态控制效果和反作用控制系统喷量之间的关系进行了分析。

基于hp自适应伪谱法的组合动力可重复使用运载器轨迹优化

针对传统化学火箭难以重复使用、发射成本高的问题,提出了一种水平起飞/降落的新一代可重复使用运载器飞行方案,并对其动力模式设计和上升段轨迹优化方法等关键技术进行深入研究。设计了一种涡轮\冲压发动机结合火箭\冲压发动机的组合动力模式,建立了发动机推力与高度、马赫数等变量间的耦合模型,根据动力形式将上升段轨迹分为两段并采用全局搜索法确定动力切换的最佳时机。根据分段结果,分别以燃料最省和终端速度最大为指标,利用hp自适应伪谱法对两段进行轨迹优化设计。该算法基于双层策略求解最优控制问题,兼备伪谱法和有限元法的优点,与打靶法、伪谱法和间接法相比,初值更易选取,收敛速度更快。

可重复使用运载器再入段喷气选择逻辑重构研究

针对反作用控制系统(RCS)推力器开机失效后的喷气选择逻辑(JSL)重构问题进行了研究,提出了2种实现JSL重构的方法:①基于组合逻辑检索的方法;②基于冲量矩控制的线性规划方法。RCS是可重复使用运载器(RLV)再入过程中控制姿态的主要执行机构,所以RCS能否正常工作关系到RLV能否成功再入返回。为了提高RCS的可靠性,必须考虑RCS推力器开机失效后的喷气选择逻辑(JSL)重构问题。基于美国X-34技术验证机后部RCS配置方案的仿真试验证明了在出现推力器开机失效时,应用这两种JSL重构方法后,虽然控制效果有所降低,偏航、滚转角与角速度出现了振荡,但仍能满足系统性能要求。

基于闭环解析解的可重复使用运载器轨迹在线生成方法

针对可重复使用运载器轨迹设计问题,在高度-速度空间中分析了再入飞行中的热流、动压和过载三种过程约束与速度的关系,通过求导变换和积分得到了具有统一形式的过程约束的数学规律,基于该规律及相关特性得到了闭环解析解,并应用该解析解提出了一种再入轨迹在线生成方法。该方法考虑纵向和横向耦合运动,能够充分发挥再入飞行能力并保证满足过程约束,通过对大、中、小纵程轨迹设计问题分别进行测试,仿真结果验证了所提出的轨迹生成方法的可行性,对飞行任务具有适应性,并在处理过程约束方面具有优势。

模糊变结构在可重复使用运载器再入轨迹跟踪上的应用

为了减小可重复使用运载器(RLV)轨迹跟踪对气动参数及初始状态的依赖性,克服鲁棒性差的问题,在纵向跟踪制导方面,提出一种基于模糊变结构的轨迹跟踪方法。在侧向轨迹控制方面,提出了一种快速收敛的在线规划倾侧角反向时机的方法。仿真结果表明:采用模糊变结构的纵向跟踪控制方法,在存在较大初始状态误差及气动参数摄动的情况下,能较好地实现对标准轨迹的稳定跟踪,具有较强的鲁棒性;采用所设计的侧向制导方法可以实现反向点的在线规划,有效地提高了侧向制导的精度。

可重复使用运载器再入在线制导方法研究

为提高可重复使用运载器再入制导方法的精度和鲁棒性,研究了一种再入在线制导方法。该制导方法在每个制导周期内通过数值方法实时在线预测终端距离误差,迭代得到倾侧角控制量的增量,与预先设计的标准控制量叠加后形成控制指令,用于实际再入过程的制导。仿真结果表明,该制导方法对于初始状态误差和各种参数摄动具有较好的鲁棒性,并具有较高的精度,便于工程实际应用。

可重复使用运载器变结构姿态控制算法设计

详细介绍了混合使用气动舵面和反作用控制系统的变结构姿态控制系统的设计方法。该控制算法用于可重复使用运载器,对于具有高空域大马赫飞行、机动明显、通路间耦合严重的非线性不确定时为系统具有良好的控制精度和抗干扰鲁棒性。同时基于可重复使用运载器空间飞行轨迹、使用执行机构特性等因素,进行数学模型和控制律的简化设计和相应处理。仿真结果初步显示了基于变结构设计的PLV姿态控制算法可以确保对指令精确、鲁棒和解耦的跟踪能力,姿态误差小于1°,姿态响应超调量小于5%。

天地往返可重复使用运载器再入飞行GNC系统关键技术

天地往返可重复使用运载器(RLV)在未来天战中将扮演重要角色。目前各军事大国围绕RLV的关键技术开展了广泛深入的研究。再入飞行是RLV飞行任务的重要阶段,而制导、导航与控制(GNC)系统则是RLV的核心系统之一,是RLV再入飞行的“脑系统”。本文分析了RLV在再入飞行阶段GNC系统的任务要求,明确其体系结构,分析GNC系统存在的问题,给出了深入研究GNC系统需要解决的关键技术和进一步研究的方向。

可重复使用运载器RCS修正脉冲调宽算法研究

主要结合可重复使用运载器的特殊工作环境、任务需求和实际的工程硬件的可实现性提出了修正脉冲调宽RCS系统指令处理逻辑,使用具有离散性能的推力器对控制律给出的线性变化控制量进行近似拟和,与常规的基于死区的处理方法相比较,既保证了姿态控制系统对指令姿态的跟踪能力,稳定性能达到期望要求,同时姿态角速度和角度的振荡频率降低到1Hz以下,RCS系统燃料消耗降低57%,也不会对推力器性能产生苛刻的要求。最终的仿真结果验证了该方法的有效性和适用条件。

可重复使用运载器预测-校正再入制导研究

研究了可重复使用运载器的预测-校正再入制导方案。通过对运动方程积分预测飞行器在能量管理段界面处的终端状态,实时调整迎角和倾侧角方案,以使终端状态误差满足要求。对预测-校正算法的实时性问题进行了分析,并给出了解决方案。仿真结果表明,对于不同的初始再入条件,制导方案都可以将飞行器导引到能量管理段界面。

可重复使用运载器金属热防护系统的历史与发展动态分析

随着重复使用运载器的研制和发展,金属热防护系统的发展从简单到复杂;金属热防护系统的优点使得其在热防护系统中的地位日益提高。这里总结了金属热防护系统的历史发展历程,描述了其典型细节设计,提出了其存在的问题,展望了金属热防护系统的发展方向,为未来设计提供借鉴。

基于伪谱方法的可重复使用运载器轨迹设计

运用Gauss伪谱方法将运载器三自由度再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取Gauss节点上的状态量和控制量作为待优化参数,求解同时满足路径约束和终端约束条件下可重复使用运载器(RLV)的总吸热量最小再入轨迹。路径约束包括驻点热流峰值约束、最大动压约束、过载约束以及控制变量约束;终端约束为高度和速度等。选取优化控制变量为迎角和倾斜角。仿真过程表明,Gauss伪谱法对状态猜测值不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。

可重复使用运载器上升段飞行控制

上升段是整个可重复使用运载器任务飞行的初始阶段,这个阶段中飞行器重心、大气环境和运动状态变化较快.为便于分析整个飞行过程的特性,保证可重复使用运载器在整个飞行过程中具有良好的稳定性与操纵性,该文将上升段分为投放分离段、拉起点火段、动力爬升段和无动力爬升段.通过分析各段的飞行特点并结合轨迹线性化技术,采取不同的控制策略设计了前馈与反馈控制律,前馈控制用于提高控制系统的非线性跟踪能力,反馈控制增强控制系统的鲁棒性.非线性仿真结果表明,控制方案能满足上升段的飞行控制要求,实现姿态的快速跟踪.

基于碳纤复合材料的可重复使用运载器静电防护研究

目的研究可重复使用运载器的静电防护方案。方法针对可重复使用运载器特点,以及飞行期间遭遇的空间静电放电环境,基于空间静电带电数学模型,计算出运载器表面材料带电离子的静电充电电位。在此基础上,分析复合材料静电特性,提出静电防护层与电气设备等电位共地方案。结果该方案采用碳纤维复合材料作为静电防护层,与大截面积的接地母线相连,为运载器电气设备提供低阻抗、大电荷容量的等电位地。结论该方案能够有效抵御静电产生的干扰,为运载器电子设备提供可靠、安全、抗干扰的电磁环境。另外,该方案工艺实现简单,大大减轻了运载器的设计质量。

可重复使用运载器异构多执行机构混合算法研究

基于线性规划方法对可重复使用运载器提出了一种简单有效、物理意义明显的实时在线控制分配算法,根据高空段飞行器的参考轨迹,提出了合理的系统结果和实现方法。将控制律给出的控制力矩合理分配给气动面的反作用控制系统,并考虑了实际的硬件特性要求。分析了算法中参数的设置方法和其对应的物理意义。避免了由于执行机构和其工作模式更换导致飞行器出现瞬态变化和系统颤振。最终的仿真表明了该算法具有明显的效果。