新型迅捷弹箭动力学建模与姿态控制

为大幅度提高弹箭的超大角度机动能力,提出一种新型迅捷弹箭动力学建模与姿态控制方法。通过在传统直接力/气动力复合控制敏捷弹箭尾部加装一类柔性可控圆伞,设计一种新型弹箭的几何构型,并划分新型迅捷转向的三个阶段。为回避牛顿欧拉力学在多体动力学建模过程中求解复杂约束力带来的一系列问题,以拉格朗日力学为基础,选取弹箭的位置、姿态和伞的姿态作为广义坐标,推导系统的动能,求解系统的广义力,建立以弹箭为主体的铅垂平面4自由度动力学模型。针对具有快时变性、强不确定性、强非线性等特点的柔性力/直接力/气动力复合控制律设计问题,建立系统姿态跟踪误差的状态方程,基于非奇异终端滑模面和双幂次趋近律设计具有有限时间收敛特性的姿态控制器,利用扩张状态观测器消除内外扰动对系统造成的负面影响,抑制抖振。通过仿真验证了新方法的合理性和有效性,并与传统敏捷弹箭进行仿真对比,验证了新方法有利于减小转弯半径、缩短转弯时间、减少能量消耗。