升力式再入飞行器覆盖范围计算分析

将升力式再入飞行器的覆盖范围生成问题转化成满足再入约束条件下的最大纵程、最小纵程、最大横程以及一定纵程下最大横程的轨迹优化问题,采用序列梯度-修复算法来解这一系列的轨迹优化问题,最后进行了仿真分析.仿真结果表明:本文采用的方法合理可行,升力式再入飞行器的覆盖范围为一个左右不对称的扇形区域.

升力式再入飞行器的神经网络自适应逆控制系统设计

分析了升力式再入飞行器的动力学模型,针对现有的再入控制方法的缺陷,提出了利用神经网络自适应逆来设计再入控制系统,使再入飞行器控制系统克服现有的控制方法的缺陷,无需大量的增益调节,自动适应非线性、强耦合的对象特性,适应大范围环境变化,减小对不同飞行条件下气动与结构参数的依赖性,自动补偿不确定因素。最后通过simulink建模对控制系统进行了仿真,验证了此控制系统能很好地跟踪输入,并且能抑制大范围的外部扰动。

基于微分平坦的升力式再入飞行器鲁棒姿态控制一体化设计

针对升力式再入飞行器飞行过程中非线性、强耦合、快时变特性和外界干扰给姿态控制系统带来的挑战,提出了一种基于微分平坦的鲁棒姿态控制一体化设计方法。首先建立了升力式再入飞行器的姿态运动非线性数学模型,证明了该模型具有微分平坦性质。基于系统的平坦特性,通过微分同胚变换将模型转化为积分串联形式。在此基础上整体设计姿态控制器,实现姿态控制的一体化设计,相对于传统的时标分离方法,能更大限度地利用系统的性能,达到更好的控制效果,同时简化控制器设计过程,提高控制器设计效率。将非线性、强耦合、快时变造成的系统不确定项和外界干扰视为总扰动,设计了基于扩张状态观测器的补偿器,对总扰动进行动态观测并在控制器中实时补偿。仿真结果表明,提出的方法具有良好的姿态跟踪性能和较强的鲁棒性。

升力式再入飞行器的先进控制方法研究

为克服升力式再入飞行器现有分段控制方法的缺陷,根据动力学模型,将滑模变结构控制和神经网络动态逆法控制分别用于飞行器再入控制的外环与内环回路。建立了控制模型并进行仿真。理论分析和仿真结果表明,采用该法无需大量的增益调节,能自动适应非线性、强耦合的对象特性,以及环境的剧烈变化,减小不同飞行条件下对气动和结构参数的依赖性,自动补偿不确定因素和扰动,能较好地实现飞行器的再入控制。

基于最优空间转动矢量的升力式再入飞行器单通道姿态控制器设计

针对升力式再入飞行器高超声速飞行时姿态运动各通道间强烈耦合效应,提出最优空间转动矢量概念。采用内外环双回路控制方式,设计了一种新式控制方法。将一般三通道姿态控制问题转化成为空间单通道控制问题。选取合适的控制系统参数,通过六自由度仿真,验证了所设计的单通道姿态控制器能够实现对飞行器姿态角的跟踪。

基于Orbiter的航天器升力式再入特性仿真

升力式再入是指航天器进入大气层时产生一定可控升力,对提高落点精度具有重要意义。为了研究升力式再入的动力学特性,采用Orbiter模拟器的应用程序接口,在其飞行动力学模型基础上,对航天器从低轨道升力式再入返回过程进行仿真。通过仿真试验,分析热流、过载、动压等参数的变化规律,初步摸清了升力式再入的动力学特性,并对升力式再入和弹道式再入仿真结果参数进行了比较和分析,结果表明升力式再入能很好解决过载和热流峰值高的问题。

升力式再入飞行器非最小相位级联姿态控制

针对具有非最小相位特性的升力式再入飞行器的姿态控制问题,设计了一种基于干扰观测器的动态逆预测级联姿态控制器。提出了"外界输入控制外部状态,外部状态偏差控制内部状态"的级联控制策略。在内部状态回路中,利用模型预测控制器的最优性,以较小的控制量镇定内部状态到有界范围;在外部状态回路中,采用动态逆控制器将输出偏差镇定在内回路所需控制量上,并加入干扰观测器来消除再入过程中的建模不确定性,进而实现飞行器姿态的稳定跟踪输出。数值仿真结果表明,该级联控制策略能够有效地解决具有非最小相位特性的模型指令跟踪问题。Monte Carlo数值仿真结果表明,在建模不确定性存在的情况下,该级联姿态控制器具有良好的鲁棒性。

升力式再入飞行器体襟翼姿态控制方法

针对升力式再入飞行器体襟翼控制三通道时的非最小相位问题,设计了一种姿态输出跟踪控制方法。选择合理的局部微分同胚,将姿态输入-输出模型转换为正则形式并得到内动态。通过对内动态进行稳定性分析并提出系统非最小相位特性的判据,采用此判据可判定当存在副翼反效时该输出跟踪控制问题为非最小相位控制问题。针对该问题,首先依据内动态与外部动态的线性相关度将正则模型分解为最小相位子系统(纵向通道)和非最小相位子系统(横侧向通道),然后运用动态逆控制技术对2个子系统分别设计状态反馈控制器,最后基于Lyapunov方程和最小范数控制策略在非最小相位子系统中引入非线性辅助控制项以镇定整个姿态控制回路。仿真结果表明了在仅有体襟翼控制的情况下该控制方法能够精确跟踪控制指令并镇定内动态。

升力式再入的三维再入走廊与再入界面窗口

针对升力式再入飞行任务设计对地理信息的需求,提出了以"来路走廊"和"去路走廊"为代表的"三维再入走廊"概念,重新定义了"再入界面窗口"概念。其中,"再入界面窗口"解决了"已知着陆点,估计初始再入点的可行地理区间"问题;"三维再入走廊"则系统、直观地揭示了升力式再入飞行器对"临近空间"多重大气层的覆盖能力及其整体变化趋势。求解算法使用高精度积分律的直接配置非线性规划法,配合无奇异的数学模型,可满足全球到达任务的设计需求。基于美国X-33和Advanced Guidance and Control(AGC)项目的测试任务数据,一系列算例检验了"三维再入走廊"与"再入界面窗口"概念的合理性。"三维再入走廊"有助于工程总体设计、军事指挥和商业空天交通指挥人员对类型化的升力式再入任务进行设计和分析;有助于高层决策人士对升力式再入的机动能力进行系统理解和直观把握。

升力式再入侧向制导的无奇异方位误差算法

升力式再入侧向制导的传统方位误差算法在地球南北极点处有奇异,在极点附近呈现病态;使用该算法的侧向制导律在极点处无法产生制导信号,在极点附近制导信号错乱。根据方位误差的物理意义,结合无奇异的再入飞行器质心运动方程,利用位置和速度三元数,提出了无奇异的方位误差算法。针对某假想的在极区再入的升力式再入飞行器,在固定纵向控制参量的情况下,进行仅检测侧向制导在极区的有效性的再入过程仿真。算例显示,对于同一侧向制导律,使用无奇异算法可避免传统算法在极区存在的奇异性问题。此外,新算法的计算细节无需因地球模型和再入飞行的地域不同而进行调整,与传统算法相比有更好的普适性,适合需要满足全球到达飞行任务要求的制导律使用。

升力式再入飞行器无控飞行溅落区仿真研究

飞行器在无控飞行状态下可能的着陆区域称为溅落区。针对升力式再入飞行器在典型受损机体形态下的溅落区问题，本文采用面元法对不同机体形态进行了气动建模，基于气象观测数据建立了大气扰动模型，针对飞行器典型工况点建立飞行状态散布模型，建立了六自由度运动模型对升力式再入飞行器进行蒙特卡洛仿真。根据仿真结果，分析了大气扰动、气动模型偏差、初始状态散布等因素对无控升力式再入飞行器溅落区的影响。

临近空间升力式再入飞行器跳跃空域预测

远程预警相控阵雷达在探测临近空间升力式再入飞行器时受到地平线限制,当雷达在远端发现目标后,飞行器由于纵向跳跃和侧向偏移可能机动至雷达水平波束屏以下,从而造成情报中断。为了维持情报连续,提出了一种基于目标三自由度弹道方程的跳跃空域预测方法,以辅助预警系统补盲照射。首先,将穿屏过程中的量测信息通过坐标变换转换到对应坐标系,得到目标飞离地平线的运动参数初值;然后,根据这些量测信息估算目标飞离地平线时的控制量,并对其进行预测,基于数值仿真获得了目标可能的跳跃点空间分布;最后,通过仿真验证了该方法的有效性。

一种极坐标系升力式再入六自由度仿真模型

建立了升力式再入飞行器在极坐标系下的六自由度模型。首先,定义了建模所需坐标系及转换关系;然后,建立了极坐标系下的升力式再入质心运动方程以及面对称飞行器在体坐标系下的转动方程,并利用坐标转换关系建立欧拉角转换辅助方程;最后,对欧拉角关系、开环六自由度进行了仿真验证。仿真结果表明,该模型可为同时关注位置变量和速度变量的升力式再入飞行器的飞行力学问题研究,如六自由度的轨迹优化、制导控制一体化设计等提供模型参考。

升力式再入飞行器再入轨迹优化研究

采用辛普森配点法,对升力式再入飞行器再入轨迹优化问题进行了研究。建立了飞行器无动力再入轨迹最优控制问题模型,采用直接配点法将最优控制问题离散为非线性规划问题,应用拟牛顿法中的变尺度算法(DFP)对参数最优化问题进行了求解。仿真结果表明,采用辛普森配点法优化得到的飞行器再入轨迹在满足大横程需求时,具有较大的再入速度,飞行器再入终端位置精度高;同时,利用优化得到的控制量可以迭代复现出最优再入轨迹。因此,升力式再入飞行器能满足大横程任务的需求,采用辛普森配点法对飞行器的再入轨迹进行优化是可行的。

多约束条件下的升力滑翔式再入轨迹优化

结合多约束再入飞行任务,以升力式再入飞行器为研究对象,给出完整的弹道优化模型,研究弹道优化数值解法,并采用高斯伪谱法进行求解计算,得到满足相应约束条件的再入飞行轨迹。仿真结果表明,高斯伪谱法能够求解此类多约束飞行轨迹优化设计问题,并具有较好的效果。

升力式再入弹道拉起段近似解研究

针对现有方法在求解升力式再入弹道拉起段时的不足,考虑再入平面动力学模型中的引力项、离心力项的影响,推导了拉起段的速度、高度、航程变化量的近似解。通过与数值仿真校验和现有方法的对比,验证了近似解在估计精度上的改善效果。研究结果可用于升力式再入飞行器的设计评估与制导算法的设计。

升力式飞行器多阶段轨迹优化改进策略研究

针对伪谱法求解多阶段多约束最优控制问题时存在的控制变量不连续问题,提出一种改进优化策略,增加攻角和倾侧角为状态变量,选择攻角变化率与倾侧角变化率为控制变量,考虑动压、过载、热流密度、边界层转捩等约束影响,采用hp自适应伪谱法对升力式再入飞行器多阶段多约束轨迹优化问题进行数值仿真。仿真结果表明控制变量在不同飞行阶段之间变化连续且平缓,该方法简单有效,具有较强的工程应用价值。

基于RCMAC网络的动态逆再入制导方法研究

针对升力式再入飞行器的制导问题,首先利用准平衡滑翔原理给出标准的阻力加速度-速度剖面,并对阻力加速度跟踪制导原理进行分析,然后利用自回归小脑模型神经网络(RCMAC)网络良好的非线性逼近能力、泛化能力和自学习能力,采用基于RCMAC网络的动态逆方法实现对阻力加速度的跟踪,并证明闭环系统的稳定性.三自由度仿真结果表明,该制导方式降低了动态逆方法对模型的依赖,增强了制导系统的鲁棒性.

基于阻力加速度倒数走廊的待飞航程解析预测方法

针对再入段待飞航程估计问题,提出了一种简单解析积分的方法。本文将飞行过程约束和平衡滑翔约束转化为阻力加速度倒数走廊约束,利用三次样条函数描述阻力加速度倒数走廊,然后根据简化航程计算公式,推导出解析积分公式,从而得到待飞航程的解析解,进而设计阻力加速度剖面。仿真结果表明,本文提出的待飞航程计算方法效率高,可以实现与龙格库塔积分相同的精度;利用本文提出的方法,可以实现阻力加速度剖面的解析设计。