组合动力飞行器吸气段轨迹设计方法研究

水平起降组合动力可重复使用运载器是未来航天运输系统的重要发展方向。针对采用空气预冷涡轮火箭发动机的组合动力飞行器在吸气爬升段受多约束条件限制、动力与质量特性变化大的特点,提出了一种基于动压高度剖面的轨迹设计方法。通过推导基于高度的质点运动学方程,得到轨迹参数解算流程,并结合动压、迎角与法向过载的约束边界以及任务窗口确定动压高度剖面形状,从而得到满足要求的吸气段标称轨迹。在此基础上,设计了标称轨迹高度跟踪制导律。仿真结果表明,标称轨迹在吸气段多种不确定性偏差的影响下满足多约束要求,具有较强的鲁棒性。

考虑推力陷阱的组合动力飞行器切换控制方法研究

针对组合动力飞行器动力切换时的推力陷阱问题,提出了一种考虑推力陷阱的组合动力飞行器切换控制方法。首先,针对组合动力飞行器正常飞行控制需求,基于超螺旋滑模控制方法,设计了正常飞行控制器,从而实现飞行器受扰动情况下的有限时间稳定跟踪参考指令;其次考虑组合动力飞行器动力切换引起的推力损失带来的控制约束,设计了输入约束控制器,实现模态转换阶段跟踪误差有限时间收敛的同时减小推力需求;然后考虑正常情况及模态转换阶段控制器的结合,设计了组合发动机软切换控制方法;最后通过仿真验证了所设计的控制器能够有效规避推力损失现象,并且能够有效保障切换控制系统的稳定性及鲁棒性。

组合动力飞行器模态转换段推阻匹配与控制律设计

针对组合动力飞行器在进行模态转换时,发动机推力的损失以及进气道进气时对飞行器周围气流的影响,导致飞行器本体动力学特性呈现出强烈的非线性、耦合性和模型不匹配性等问题。文中根据涡喷发动机和冲压发动机输出推力随流量变化的关系,提出一种流量分配方案补偿了发动机动力切换时的推力损失。考虑到组合动力飞行器模态转换段动力学的复杂性,采用L1鲁棒自适应控制实现飞行器的内环增稳,采用蒙特卡洛打靶方式验证控制律的鲁棒性。仿真实验证明,设计的控制律具有一定鲁棒性。

一种组合动力飞行器上升制导方法

针对组合动力飞行器上升制导精度低、鲁棒性差的问题,提出了一种基于模型预测控制思想的轨迹跟踪制导方法。方法利用预测模型、滚动优化和反馈校正的策略,预测干扰因素对系统的影响,将原强非线性目标函数转换为线性目标函数,结合在线滚动优化获得上升最优制导指令,实现了存在不确定性情况下组合动力飞行器对基于高度-速度剖面的标称轨迹的高精度制导。以某组合动力飞行器为研究对象进行了纵向平面内仿真分析,仿真结果验证了上述方法在气动参数拉偏情况下,系统能够较好的跟踪期望轨迹。

组合动力飞行器技术发展

组合循环动力技术是多种传统动力技术的有机融合,可有效拓展飞行器的速域和空域包线,是先进航天技术的重要发展方向。对组合循环动力技术发展历程及现状进行了总结,分析了组合循环动力技术在重复使用天地往返飞行器、高超声速飞行器方向的应用发展情况,研究并概括了其技术发展趋势,提出了在组合动力飞行器技术领域的发展建议。

基于分段高斯伪谱法的组合动力飞行器火箭挂飞轨迹规划

为解决受涡喷发动机技术水平限制,导致试验飞行器无法直接达到试验所需高度和马赫数的问题,采用可回收式助推火箭挂飞后分离的方法,基于分段式高斯伪谱法搭建弹道优化模型,结合引射火箭与飞行器特性设计试验窗口,设计了弹道优化模型的约束条件;以末端高度最高、速度最大及轨迹平滑作为单项性能指标,以其加权和作为总性能指标,通过改变单项性能指标的权重系数,改变了助推火箭与飞行器的分离点,建立了组合动力飞行器火箭挂飞最优轨迹。仿真结果表明,本文方法建立的弹道状态变量变化平缓,满足约束条件,可为组合动力飞行器高空飞行试验轨迹规划提供依据。

组合动力飞行器动力转换过程推阻匹配与控制

针对组合动力飞行器在动力转换过程中飞行器存在非线性、耦合性、不确定性、推力损失和大气扰动的问题,该文首先提出了一种利用模态转换参数调节规律来降低动力转换过程中飞行器的推力损失的方法。其次,采用了LQR控制方法处理飞行器本体不稳定的问题,在该过程中发现LQR在控制非线性模型时会逐渐发散。该文提出外环采用基于非线性模型的动态逆进行控制,内环采用鲁棒自适应姿态控制或自抗扰控制方法进行增稳,从而实现组合动力飞行器发动机工作模式的顺利切换。最后,对飞行器动力的转换过程进行仿真并进行蒙特卡洛测试,由仿真结果可知,该文所提出的方法能够在减小动力转换过程推力损失的基础上对飞行器姿态进行控制,并且控制系统具有较强的鲁棒性和抗侧风能力。

RBCC飞行器上升段飞行走廊规划方法

为解决火箭基组合动力飞行器上升段飞行过程中飞行走廊规划的问题,提出一种基于马赫数-高度参考曲线的走廊规划方法。针对飞行器的飞行任务及飞行过程中的多约束问题,建立基于二分法求解迎角实现走廊规划的算法流程,选择马赫数-高度曲线作为走廊剖面,依据二分法求解迎角最大值最小值的思路,对马赫数和迎角二分求解,并对规划方法进行了仿真分析。仿真结果表明,该方法能够在满足各种约束的情况下求解出合理的走廊剖面。

组合循环发动机科学研究技术路线的优化

以高速飞机、两级入轨一级平台组合动力飞行器为应用背景,以具备开发研究和工程应用基本要素为导向,优化了水平起降、重复使用、高速宽域组合循环发动机科学研究的技术路线。比较了单一类型动力飞行器与组合动力飞行器航程和载荷能力等主要功能指标,分析了组合动力飞行器对发动机性能的需求,研究了组合动力飞行器空气动力学特性、结构质量特性和组合循环发动机核心性能随飞行速域拓宽的变化趋势,提出飞行速域上限对组合循环发动机实用化具有决定性影响。构建了技术方案、飞行器需求、技术代际递进、热障等维度的组合循环发动机技术实用化评估模型。评估表明,Ma6级组合循环发动机仍需持续探索研究;Ma4级组合循环发动机与组合动力飞行器具备实施以能力形成和实用化为目标的大科学技术计划的基本条件。分析认为,Ma4亚高超飞行平台具有重大应用价值,是重大技术代际。