高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化

轨迹优化是高超声速滑翔式飞行器关键技术之一。为避免间接法求解轨迹优化问题时对初值敏感以及伪谱法求解轨迹优化问题中难以处理航路点和禁飞区等问题,提出采用基于Akima插值多项式的直接法求解高超声速滑翔式飞行器再入轨迹优化问题。以驻点热流密度最小和到达目标点时间最小为优化目标,考虑了终端约束、航路点约束、禁飞区约束、动压约束、过载约束等约束条件。仿真结果表明:采用的插值方法可以减少插值过程中的控制变量越界问题;得到的Pareto前沿具有良好的分布性,在初步设计时能够给设计者较大的选择余地;和文献中的单目标优化结果相比,本文所采用的算法也具有较好的寻优能力。

基于LMI的滑翔式飞行器鲁棒H_∞时滞控制

滑翔式飞行器是一类存在参数不确定性和外部扰动的非线性系统,研究了该类对象的鲁棒H∞控制问题。采用对原系统方程部分线性化的方法,得到滑翔式飞行器的状态空间描述形式。在系统中的非线性部分满足Lipschitz条件约束下,考虑舵机特性等引起的时滞,利用Lyapunov稳定性理论,得到了系统鲁棒H∞控制器存在的充分条件。通过求解线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)的可行解问题,得到H∞控制器的参数化表达式。仿真结果表明,当存在参数不确定以及外部扰动时,系统能够保持较强的鲁棒稳定性,同时设计的控制器对干扰有较好的抑制作用。

滑翔式飞行器再入弹道设计

针对滑翔式飞行器的弹道特征,提出了一种方案弹道设计方法,将整个再入弹道分为下降段、滑翔段和末制导段,通过简化的控制指令实现下降段和末制导段弹道,并通过"H-V曲线设计+弹道跟踪"的方法来实现滑翔段的弹道设计,根据侧向运动要求调整侧倾角的变号时机,迭代得到完整的再入基准轨道。最后的算例表明,该方法能快速得到一条针对某一飞行任务的再入弹道。

高超声速滑翔式飞行器摆动突防设计

针对高超声速滑翔式飞行器突防导弹防御系统的问题,设计了一种基于威胁时间窗的摆动式机动突防方法,联合地基雷达、拦截导弹和HGV建立了毁伤概率模型。通过摆动式机动方法控制HGV暴露的RCS。运用极大极小值原理设计了最优突防弹道,使飞行器在所有威胁时间窗内毁伤概率的极大值取极小并进行了数字仿真。仿真结果表明,该方法在牺牲一定航程和航时的条件下能有效降低HGV突防过程中被毁伤的概率,增强其生存能力。

再入滑翔式飞行器轨迹快速优化

为了满足再入滑翔飞行器轨迹实时生成的要求,提出了一种轨迹快速优化方法。在模型处理方面,根据再入飞行器运动的特点,对再入轨迹方程进行了合理的简化处理和无量纲化处理,使其更适合数值优化算法求解;在算法方面,采用乘子法对再入终端约束进行处理,然后采用共轭梯度法求解最优的再入轨迹。仿真结果表明,这样处理只需10 s左右的时间便能产生一条满足约束条件的再入优化轨迹,验证了模型处理和算法的有效性、鲁棒性和可行性。

高超声速助推-滑翔式飞行器中段弹道轨迹分析

提出了一种高超声速助推-滑翔式飞行器中段弹道轨迹设计方法,并对弹道特性进行了仿真。首先介绍了高超声速助推-滑翔式飞行器的概念和它的基本弹道轨迹,分析了传统轨迹设计中的不足。然后提出了一种机动程序和发动机短暂点火相结合控制跃起,综合考虑实时精确的空气动力、地球引力以实现跳跃式飞行的弹道轨迹设计方法,并在机动控制程序不变时对点火次数、点火高度和推力大小进行了弹道仿真分析。仿真结果显示了该方法的可行性、整体设计上的优势以及在增大射程、提高突防能力上的性能优势。

滑翔式高超声速飞行器大包线状态反馈控制

研究了基于状态反馈的滑翔式高超声速飞行器控制系统设计方法。首先建立了滑翔式高超声速飞行器的动力学模型并对其耦合特性进行了分析,然后考虑到该飞行器再入过程中存在的扰动、参数大范围变化和强耦合情况,针对一类抗扰动鲁棒控制系统,在采用伺服补偿器和基于特征根配置设计的镇定补偿器的基础上,引入状态反馈解耦控制器实现输入输出的近似解耦,得到了一种改进的控制系统结构,设计了滑翔式高超声速飞行器的控制系统。最后,通过定点仿真、参数拉偏仿真及大包线全轨迹飞行仿真,对控制系统的性能进行了检验,校验了控制系统设计方法的有效性。

固体火箭发动机特性对空射滑翔式弹道飞行器性能影响分析

为研究空射滑翔式弹道飞行器固体火箭发动机特性对飞行器综合性能的影响,构建了基于序列二次优化法(SQP)的弹道优化模型,设计了多套不同推力形式、不同特性参数的固体火箭发动机方案。通过开展空射滑翔式弹道飞行器弹道仿真分析,获取了不同动力特性下的最优爬升攻角变化规律,对比分析了相关弹道特征指标。结果表明:采用长时间-小推力的推力形式,能够增加飞行器弹道顶点速度和射程能力;采用多脉冲或单室-双推力的推力形式,能够减小飞行器飞行动压,对降低飞行器承载及防热结构质量十分有利。

基于终端速度约束的助推-滑翔飞行器滑翔弹道设计方法

针对助推-滑翔飞行器滑翔弹道设计和速度控制问题,给出滑翔终端速度计算公式和滑翔终端速度控制方法,为滑翔弹道和滑翔终端速度控制联合设计提供了工具,为解决滑翔式飞行器起滑点位置、速度偏差及飞行中气动偏差等造成的滑翔终端速度偏差较大的问题提供了基础。仿真验证表明:该方法实用性较好,具有较强的工程应用价值。

基于序列凸优化算法的飞行器轨迹规划

针对滑翔式飞行器在无动力滑翔段的多约束轨迹规划问题,基于凸优化方法,提出了一种快速求解算法。算法通过引入控制量导数建立了扩维状态模型,基于分段高斯伪谱法得到了离散的优化问题形式,依靠设计的3种目标罚函数加速了收敛求解过程。仿真结果表明,该算法能在任意不满足约束的初值下,快速收敛到原问题的一组可行解,计算效率高于传统的高斯伪谱法。

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。

基于固定目标可达区域的滑翔轨迹优化研究

目标点固定情况下机动能力评估是滑翔飞行器研究的关键技术之一,基于传统可达区域的概念给出了固定目标可达区域的定义及求解方法,在此基础上给出了合理的航路点和绕飞区约束,对满足航路点和绕飞区约束的最短时间轨迹优化问题进行了研究,结果表明飞行器可有效实施S型机动飞行,充分体现了滑翔式飞行器的优势;对于10 000km以外的目标,整个飞行时间小于2 500s,可实现多个航路点的载荷投递及侦察任务,并能对多个绕飞区实施有效规避。