非线性指数理论在SRLV动力学建模上的应用

针对亚轨道可重复使用运载器(SRLV)再入过程中,强非线性和不确定性对动力学建模和控制系统设计带来的不利影响,提出了一种用于SRLV动力学模型非线性强度分析的方法。非线性指数是测量系统非线性强弱程度的重要指标。该方法首先对SRLV线性模型进行分析,计算出全飞行包线内静态和动态非线性指数大小,进而确定出全飞行包线内系统模型的非线性强弱程度,使得SRLV再入模型的非线性特性能被定性和定量的表现出来,最后通过仿真分析验证了该方法的正确性和适用性。

亚轨道可重复使用飞行器(SRLV)气动布局优化方法研究

亚轨道可重复使用飞行器(SRLV)要求具备良好的全速域、宽空域可控飞行能力,大范围机动能力和水平着陆能力,所涉及的气动问题几乎包括了从低速到高超声速空气动力学和稀薄气体动力学的各个领域,因此满足飞行任务的先进气动布局是SRLV设计的核心技术之一。本文针对这一复杂气动问题,采用基于Kriging响应面方法的优化方法对气动布局开展了工程约束条件下的优化研究工作,获得了满足设计要求的气动外形,可应用于工程设计,提高设计效率。

亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。

RLV亚轨道再入段制导技术

重复使用运载器亚轨道再入段一般采用航天飞机应急返回发射场的飞行方案,分三个阶段:迎角恢复段、过载保持段和过渡段。该方案的难点是抑制动压,缺点是只有开环制导。分析了动压变化的影响因素,制订了抑制下沉率的制导策略,并给出迎角和过载指令的设计方法。其次分析初始状态偏差和气动升力/阻力系数偏差对动压的影响,提出了根据初始高度调整制导指令和根据下沉率进行过载指令补偿的闭环制导方案。仿真表明设计的轨迹能够满足飞行约束,闭环制导能有效减小最大动压偏差。

亚轨道飞行器推力常值损失下应急上升段飞行程序设计

针对亚轨道飞行器(SRLV)应急返回任务,在分析不同故障时段所具有的飞行特点的基础上,提出一种发动机推力常值损失下应急大气上升段飞行程序设计方法。该方法采用随动压变化的正攻角设计方案用于故障后飞行程序设计,使得不同故障时刻SRLV均能够安全到达低动压环境。仿真结果表明,不同故障时刻,该方法均能够在满足弯矩约束、攻角限制的情况下使得故障飞行器安全到达预定高度,为后续应急返回机动飞行提供了有利的飞行条件。

亚轨道飞行器控制系统快速原型设计

为了实现对飞行器控制系统的快速、廉价、高效等设计需求,提出了一种基于快速控制原型技术的亚轨道飞行器控制系统设计方案,并完成系统的软硬件设计与实时仿真。该系统由总体控制计算机、两台实时数值仿真机、VMIC、硬件接口以及物理设备等组成,建立了亚轨道飞行器再入阶段六自由度运动模型,设计控制分配并采用经典控制方法进行姿态控制,通过Rt Fly平台进行分布式快速原型仿真。仿真结果表明,控制参数调节方便,系统实时性良好,快速控制原型技术可以有效应用于飞行器控制系统设计。

亚轨道飞行器上升段故障模式分析与仿真

在收集整理传统一次性运载火箭以及航天飞机常见故障的基础上,归纳总结了亚轨道飞行器(SRLV)可能存在的故障模式。针对亚轨道飞行器上升段发动机推力损失情况,利用OpenFlight仿真平台搭建亚轨道飞行器三自由度飞行故障仿真系统并进行了故障仿真,分析了推力损失对SRLV上升段飞行轨迹的影响,为后续应急返回制导研究与应急返回能力分析提供了参考。

亚轨道飞行器发动机故障下配平能力分析

为了分析亚轨道飞行器发动机故障下配平能力,将配平能力问题转换为线性等式/不等式混合方程组相容性判定问题。提出了将基于顶点投影法的相容性判定方法用于配平能力分析,验证了方法的准确性与计算效率。在故障下配平能力分析的总体框架下,分别对不同故障模式下故障发生时刻、整个空域配平能力进行分析,给出了配平能力不足时的应急策略。仿真结果表明,该方法能够快速地计算故障下不可配平区域、分析配平能力对可飞区域的影响,对故障后任务中止策略、任务中止轨迹优化等研究具有重要的参考价值。

亚轨道飞行器发动机故障下飞行程序设计方法

针对亚轨道飞行器单台发动机发生故障情况,提出了基于正指数攻角的发动机故障下飞行程序设计方法,给出了不同故障时刻的仿真结果,并与正常飞行情况进行了比较。仿真结果表明,对于不同故障时刻,该方法均能够在满足弯矩约束、攻角限制的情况下使得故障飞行器安全到达预定高度,为后续应急返回机动飞行提供有利的飞行条件。

亚轨道飞行器再入过程执行机构故障仿真

亚轨道飞行器的执行机构故障会严重影响其控制能力。针对飞行过程中RCS与气动舵可能出现的故障模式,建立了亚轨道飞行器六自由度故障仿真模型,并对典型故障进行了仿真。通过对比正常状态与故障模式下飞行参数的不同,分析了执行机构故障对亚轨道飞行器飞行能力的影响,所得结论可为故障检测及诊断算法研究提供依据。

亚轨道飞行器能量管理段轨迹设计

亚轨道飞行器(SRLV)通过跟踪特定的轨迹来实现对能量的控制与管理,轨迹设计是能量管理的一项关键技术。深入研究了亚轨道飞行器能量管理段(TAEM)轨迹的设计思想、准则和流程;提出了一种基于待飞距离规划动压剖面的轨迹设计方法,通过调整航向调整段的动压剖面,保证飞行器以亚声速状态进入航向调整段,避免飞行器转弯超调;提出了采用顺风作为轨迹设计的缺省状态,保证飞行器在严重的逆风状态下仍然可以满足着陆窗口约束;通过具体算例进行仿真分析,验证了设计方法的有效性。