大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器(RLV)竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性(1月、4月、7月和10月)气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。

一种新型RLV再入轨迹在线规划方法

针对可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)再入轨迹在线规划问题,提出了一种基于割线法的标准轨迹快速生成方法。该方法以驻点热流、法向过载、动压和平衡滑翔限制为再入过程约束,以再入初始点和结束点的高度、速度为再入端点约束;在阻力加速度-速度平面内建立约束模型后,设计了折线形式的标准轨迹;采用割线法迭代计算轨迹转折点以调整轨迹形状,使最终规划轨迹对应的航程和终端点速度同时满足设计需求。最后取3种不同航程的再入情况进行了数值仿真。仿真结果表明,所提出的方法能够在1秒内完成再入轨迹规划,并在一定航程范围内适用,能够满足在线设计标准再入轨迹的实时要求。

基于预测校正方法的RLV再入制导律设计

针对高超声速可重复运载器RLV(Reusable Launch Vehicles)的再入飞行问题,利用数值预测校正方法与准平衡滑翔条QEGC(Quasi-Equilibrium Glide Condition)相结合的方法在线设计同时满足热流、法向过载和动压等轨迹约束与末端精度要求的倾侧角制导律.建立三自由度动力学方程,确定初始条件、末端精度要求和轨迹约束要求;然后详细阐述预测校正方法和准平衡滑翔条件的原理,再利用预测校正方法设计制导律,用QEGC把约束转换为对倾侧角制导律的上界,通过限制倾侧角的幅值来限制约束.最后在计算机上进行制导仿真,并考虑初始条件不确定性,进行蒙特卡洛仿真,通过分析仿真结果,证明利用预测校正方法结合准平衡滑翔条件可以快速的设计出满足末端精度要求和轨迹约束的制导律,并对初始条件不确定性有较好的鲁棒性.

RLV末端能量管理段轨迹在线规划与制导

针对可重复使用飞行器(RLV)末端能量管理段利用数值优化算法在线规划轨迹的实时性无法保证,工程应用性差的问题,在末端能量管理段的航向调整段(HAC)轨迹前增加直线预测捕获段(PASL),并在该阶段提前完成末端区域能量管理(TAEM)段轨迹的在线规划,从而降低工程中对轨迹在线规划方法实时性的高要求。首先,通过求解零气动角下的质点运动方程解析解,得到直线预测捕获段结束点的飞行状态预测值作为TAEM段轨迹的初始点状态。然后,在线求解以航向调整段进入点飞行器航向角偏差最小为目标函数,以动压、过载和速度滚转角限制为约束的非线性规划问题,得到航向调整螺旋线中心的最优位置。最后,设计了以规划轨迹确定的标称气动角指令为前馈,以跟踪偏差的比例+微分律生成指令(PD)为反馈的TAEM段制导律。算例仿真校验了本文基于弹道预测的末端能量管理方法的有效性。

基于大气预估的RLV再入预测制导研究

针对可重复使用飞行器(RLV)多约束再入制导特点,提出一种新的基于大气预估的再入制导方法.针对大气模型的不确定性,通过参数辨识技术确定当前大气参数.在此基础上,考虑可重复使用飞行器过载、动压和驻点热流等过程约束对倾侧角的限制,利用数值预测的方法实时预测RLV的落点确定制导偏差,形成倾侧角控制指令,完成再入轨道的在线设计.仿真结果表明,该方法能够适应多种再入条件,有效减小各种不确定因素的影响,保证再入终端落点的精度要求.

一种动态逆解算的RLV混合规划控制分配研究

可重复使用运载器的飞行包线大,操纵机构多样,根据其飞行状态对各操纵机构进行优化分配使用是必要的。针对可重复使用运载器三轴角运动的耦合,采用动态逆对控制力矩进行解耦计算。为优化各操纵机构的使用并最大限度使用气动操纵面,减小反作用控制系统的消耗,提出了一种混合规划策略来进行控制分配。气动操纵面与反作用控制系统两者之间的力矩采用链式递增分配,气动操纵面饱和后才启动反作用控制系统,而各气动操纵面之间的控制分配采用二次规划求解,反作用控制系统的力矩分配转化成各喷管开关的0-1整数线性规划进行求解。仿真结果表明,采用混合规划的控制分配能很好实现各操纵机构的优化使用。

RLV应急再入轨迹规划问题的动态伪谱法求解

针对可重复使用运载器(RLV)的应急轨迹规划问题,提出了动态伪谱法,实现了目标变更与能力下降情况下的轨迹重构。该方法将应急轨道规划问题转换为动态全局规划问题,基于Legendre-Gauss-Lobatto伪谱法进行了连续最优问题的离散化处理,推导了连续Bolza问题与离散化谱方法的一致性,并基于拉格朗日算子进行了性能指标优化。考虑到非连续最优解的收敛困难,给出了高效的初始配点和动态规划算法。最终的仿真结果表明所提出方法可有效实现再入轨迹重构,适应气动力系统20%的拉偏,且终端约束精度小于10 m。

RLV末端能量管理段三维制导轨迹推演研究

研究了重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)末端能量管理段(terminal area energy manage-ment,TAEM)三维制导轨迹推演算法。根据初始点和终点的位置、航向、动压,规划动压参考剖面和横侧向参考轨迹,采用基于高度的质点动力学方程推演生成符合过载、动压、终点位置和航向约束条件的三维制导轨迹。横侧向参考轨迹的设计可以分成两步:第一步,消除横向的位置误差,同时减小纵向的位置误差;第二步,消除纵向的位置误差。根据纵向位置误差大小,组合使用三种模态的轨迹予以消除,节省了计算量。仿真计算显示,三维制导轨迹推演算法具有快速、准确、对初始点位置和航向分布鲁棒性强的特点,为在线轨迹设计提供了基础算法。

RLV导航系统硬件配置方案及信息处理技术

在对RLV(Reusable Launch Vlehicle,可重复使用航天运载器)的轨道特性进行详细分析的基础上,提出了RLV导航系统的硬件分段配置方案.针对RLV对导航系统高容错性、动态适应性和智能化水平的要求,提出了基于动态贝叶斯网络理论的容错式组合导航信息处理方法.利用基于动态贝叶斯网络理论的传感器动态选择控制器,实现传感器件组合的动态自主优化配置和系统实时健康监控.

RLV再入返回喷流控制策略研究

针对可重复使用运载器(RLV)再入初始阶段反作用控制系统(RCS)姿态控制问题,提出了混合整数线性规划(MILP)实现RCS喷流控制策略,并应用反馈线性化理论实现RLV再入六自由度非线性模型的线性化,设计了PID控制器,并完成典型制导指令跟踪仿真。仿真结果验证了MILP控制策略的有效性。

某RLV飞行器投放轨迹的设计与分析

对于可重复使用发射式飞行器RLV(ReusableLaunchVehicles)设计投放轨迹,并作轨迹特性分析.根据投放几何和飞行器性能约束确定目标轨迹,将轨迹分为四个阶段,分别为:消耗多余能量的S型转弯段;改变飞行器航向并转向航向校正圆柱HAC (HeadingAlignmentCylinder)的过渡飞行段;航向校正圆柱段;进一步调整能量以满足终端要求的着陆前飞行段.在各段衔接处设置窗口检查,在轨迹仿真过程中对轨迹进行进一步调整,得到投放轨迹.作为导航和控制的参考轨迹,还对飞行器进行了沿轨迹的操稳性分析和检查.结果表明所建立的轨迹设计方法能够提供满意的精度;轨迹对常值扰动敏感,对高频扰动不敏感.

RLV燃料贮箱低温泡沫隔热材料导热分析

针对RLV燃料贮箱使用的泡沫塑料,建立了闭孔匀质泡沫材料的传热模型,给出了利用泡沫材料结构参数计算热导率的方法。算例计算结果与实测值吻合较好,证明了模型的可信性和方法的可行性。最后利用对该模型的分析讨论了泡沫不均匀性的影响。

新一代RLV再入弹道模糊控制研究

基于阻力与能量的关系,优化并设计了再入参考弹道。利用模糊控制技术,在线推导了轨道控制器的各项参数。仿真结果表明,基于阻力与能量关系剖面设计的再入轨道满足各项约束,成功地导引飞行器到达TAEM终端,而模糊PD控制器则能排除干扰,实时跟踪参考弹道。

基于串联协作法的RLV机翼参数优化设计

针对可重复使用运载器(RLV)机翼外形优化设计问题,描述了其重量学科的数学模型,由于在求解过程中遗传算法及Nelder-Mead法均存在缺陷,故在多方法协作优化方法的理论基础上,采用串联协作优化策略,提出了基于遗传算法及Nelder-Mead法的串联协作优化方法,实现了RLV机翼外形的设计优化,得到了与这两种算法单独优化时相比更优的优化结果,使机翼重量减轻了,并分析了该方法的收敛性,表明了该方法的可行性和有效性。

基于方向加速法的RLV再入预测制导研究

针对可重复使用运载器(RLV)再入制导问题,为克服算法复杂度高、时效性差、以及环境扰动引起制导精度降低的问题,提出了一种基于修正方向加速法的再入预测制导方法,通过实时预测落点偏差及性能指标来在线搜索最优控制量增量。该方法以无约束极值理论为基础,将多约束的非线性最优化问题转化为无约束最优化问题。采用修正的方向加速法将多维搜索转化为一维搜索;同时进行最佳搜索方向替换,在性能指标收敛最快的方向上直接搜索可行解,降低了算法复杂度并提高了RLV抗扰动能力。仿真结果表明,与单纯形替换法相比,该方法可有效提高制导系统的时效性和精度,具有一定的工程应用价值。

RLV投放轨迹飞行动力学特性分析

根据投放任务要求设计缩比可重复使用空间飞行器(RLV)投放轨迹,并建立飞行动力学基本分析框架。其中包括对轨迹进行参数灵敏度分析和沿轨迹的操稳特性分析。灵敏度分析则包括飞行终端状态参数受模型变化、投放条件、操纵参数、风场等内外扰动影响的分析。稳定性分析包括静稳定性和失速/偏离判据以及模态特性分析;操纵性分析包括考虑平衡、增稳和机动性余量三方面的要求。以上工作为导航和控制设计奠定了重要基础。

基于FTDO的RLV再入段鲁棒容错姿态控制

针对可重复使用运载器(RLVs)再入过程中的不确定、舵面失效及饱和的容错控制问题,提出了一种基于固定时间干扰观测器(FTDO)结合辅助抗饱和系统的反步控制策略。首先,设计一种基于超螺旋理论的固定时间干扰观测器,除保证对系统中干扰、不确定和舵面失效作用的准确估计外,还能有效提高对变频干扰的估计精度。其次,针对RLV再入时舵面易发生饱和故障的问题,设计辅助补偿系统以使舵面尽快退出饱和状态。仿真结果表明,该容错控制方法有效解决了舵面的部分失效及饱和问题,对干扰和不确定有较强的抑制作用,能够提高RLV再入段姿态控制系统的控制精度和鲁棒性能。

一种RLV末端能量管理段的轨迹实时规划方法

提出了一种能适应较大初始误差,使可重复使用运载器（reusablelaunch vehicle,RLV）最终达到自动着陆段初始要求的末端能量管理段（terminal ar-ea energy management,TAEM）的轨迹规划方法。该方法基于二次多项式形式的动压剖面,只需任意选取2个末端能量管理段的几何参数值,就可以规划出一条满足末端能量管理段终端约束的轨迹,同时航向调整圆锥位置和进场方式可调节。仿真结果表明：所提的轨迹规划方法能够实时生成一条满足要求的参考轨迹线,验证了该方法的合理性。

RLV末端能量管理段三维鲁棒制导方法

针对传统可重复使用运载器(RLV)末端能量管理段(TAEM)制导方法在精度和实时性方面的不足,提出了一种三维鲁棒制导方法,提高扰动情形下的返回精度。首先,转换RLV时域制导模型为以高度为自变量的等效模型,设计基于滑模控制理论的制导算法,根据运载器当前状态生成满足动力学、末端和动压约束的状态轨线及制导指令;输入指令至RLV时域制导模型,一个制导周期后根据当前飞行状态更新制导指令,抵抗气动、大气及质量偏差等扰动。标称和扰动两种情形下的仿真验证了制导方法的性能。

基于迭代学习干扰观测器的RLV容错控制方法

针对重复使用运载器(RLV)等类飞行器再入飞行段存在综合干扰问题,提出了一种基于迭代学习干扰观测器的容错控制方法。首先,根据RLV再入段运动、动力学特性及执行机构故障类型,建立带有执行机构故障的RLV面向控制模型;然后设计了一种基于S型函数的迭代学习观测器的容错控制方法,采用迭代学习干扰观测器完成对综合干扰观测并进行补偿,通过李雅普诺夫定理证明基于干扰观测器设计的改进的自适应控制器能够在有限时间收敛稳定;最后以某型RLV再入段为研究对象进行数值仿真。仿真结果表明,所提出的方法在系统中存在加性、乘性故障时,姿态跟踪能够在3 s内收敛,同时姿态稳态误差在0.01°以内。