Modeling and Simulation for Gliding Missile with Large Aspect Ratio

An improved STT (skid to turn) autopilot was developed to solve the problem of roll control saturation for the gliding missile with large aspect ratio. A lateral acceleration feedback was introduced in the roll channel of the autopilot to ensure that the roll angle could closely follow the lateral acceleration,so that the sideslip angle and the roll rudder deflection could be reduced,and the roll control saturation was avoided. A six-DOF ( degree of freedom) nonlinear simulation model was set up. The simulation results indicate that the model and the control scheme are effective.

2023年国外高超声速领域发展综述

高超声速武器将使未来战争的样式产生深刻的变化,是当前装备科技领域博弈的焦点之一。对2023年美国、俄罗斯、法国、印度等世界主要国家在高超声速领域的重要发展动向进行梳理,分析其发展态势。最后,对国外高超声速技术的发展进行了总结。

基于最优控制理论的高超声速飞行器轨迹生成方法

针对新型高超声速飞行器目标的实际观测场景不足、真实飞行数据难获取等导致对反导雷达目标跟踪架构、算法难以针对性优化的问题,基于最优控制理论提出了一种高超声速飞行器全阶段轨迹生成方法.利用hp-自适应伪谱法,将轨迹生成方法对应的最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解,并输出全阶段目标飞行运动状态数据.仿真结果表明,生成的飞行场景数据完整、仿真程度高,验证了该方法的有效性.

高超声速目标运动特性及其对预警系统的影响

在建立高超声速目标运动模型的基础上,采用定量比较的方式分析其与弹道导弹的飞行路径、飞行时间和机动能力,以利于对目标进行预警探测。分析表明,典型参数条件下高超声速滑翔飞行器大气层内相对低空飞行,飞行时间比弹道导弹慢数分钟,但横向机动范围达数千公里,使对其全程探测、搜索捕获和轨迹预测困难。分析结果可为反临预警体系建设提供技术支撑。

高超声速滑翔目标拦截弹方案设计与弹道规划

针对高超声速滑翔目标的拦截问题,分析了拦截窗口、拦截方式以及毁伤方式等拦截问题,并提出了拦截弹总体方案及弹道规划需求;开展了拦截弹总体方案设计,设计了一种两级助推的拦截弹方案,确定了推进系统、操纵系统的总体基本参数,并完成了拦截弹气动外形设计与质心定位;构建了拦截弹弹道规划的分析方法和工具,根据设计约束开展了针对HTV-2高超声速滑翔目标的拦截弹道规划研究,采用粒子群算法对弹道进行了求解。结果表明:采用空基拦截的方式可达到预期的最大拦截速度,满足拦截弹拦截滑翔武器的速度约束指标;此外开展了该拦截弹拦截概率评估,确定了针对高超声速滑翔目标可采用分层防御的方式从多个拦截站依次拦截。

助推-滑翔导弹分段总体参数优化方法研究

为发挥助推-滑翔式导弹最大作战效能,需在一定的飞行条件约束下,对其总体参数进行优化设计。首先分析直接起滑式滑翔弹道下各类参数对飞行弹道的影响,并将整个优化过程划分为独立的两个阶段;而后采用自适应遗传算法对各阶段进行优化,得到了满足文中约束条件下的最佳导弹总体方案;最后采用蒙特卡洛模拟对该方法进行验证。结果表明,文中设计方法能够在5.5 s内完成总体参数优化,并在±0.7%的精度范围内使得导弹进行直接起滑式飞行。

助推—滑翔式导弹中段弹道方案的初步分析

建立了助推—滑翔式弹道中段的无量纲运动方程。采用非线性规划方法实现弹道优化。首先求解不同初始速度、速度倾角和最大升阻比的最大射程弹道,然后考虑驻点热流、过载约束,求解总气动加热最小和射程最大的最优弹道。基于前者的计算结果分析了初始条件对最大射程弹道的影响。将考虑约束的再入滑翔弹道与弹道式再入的特征参数比较,表明再入滑翔弹道的峰值热流较小,而总气动加热增加,但再入滑翔飞行时间在一般锥形体再入机动飞行器的热防护系统可承受的时间范围内。

助推-滑翔导弹弹道优化研究

针对助推-滑翔导弹的弹道优化问题,给出了一种求解其最大射程弹道的分段优化方法,建立了其纵平面运动模型和弹道优化模型。在考虑攻角绝对值、攻角变化率、法向过载、分离点攻角衔接及落地条件等约束下,应用序列二次规划法求解了其最大射程弹道。分析表明,助推-滑翔导弹比传统弹道导弹射程显著提高,其最优弹道的起伏有助于增大射程和提高突防能力。

助推-滑翔导弹发展概况及关键技术分析

介绍了助推-滑翔飞行器的研究背景与起源,给出了助推-滑翔导弹的基本定义与飞行过程,总结了助推-滑翔导弹相关技术的国内外发展概况与相应成果,分析了将来的发展趋势与应用前景,并着重分析了助推-滑翔导弹所涉及的弹头外形设计、弹道设计、热防护措施、制导方式、控制方案、助推器、有效载荷、攻防对抗和部署方案等主要关键技术.

助推-滑翔导弹弹道优化与总体参数分析

为解决助推-滑翔导弹的弹道设计与性能分析问题,提出了一种分段优化的全弹道设计方法.利用工程估算方法估算导弹的助推器参数,建立了弹道优化模型,将全弹道分为主动段和滑翔弹头飞行段,分段进行弹道优化.采用Gauss伪谱法将弹道优化问题转化为非线性规划问题,采用序列二次规划(SQP)等数值方法进行求解.仿真结果表明,Gauss伪谱法处理此类多阶段多约束的弹道优化问题效果较好,最优弹道起伏较小,控制量变化平滑,各项约束都得到满足.利用弹道优化分析了起飞质量、主动段终端倾角对导弹射程的影响,并与弹道导弹进行了比较,结果表明,助推-滑翔导弹在增程方面具有较大优势.

远程滑翔导弹滑翔段制导算法研究

提出了一种满足多种约束的远程滑翔导弹滑翔段在线规划制导算法。给出了攻角参考剖面与倾侧角大小的边界。利用拟平衡滑翔条件简化了滑翔段弹道。考虑地球旋转影响,利用修正的拟平衡滑翔条件,并结合速度与待飞航程的关系,将满足多约束的纵向参考弹道设计问题转化为单参数搜索问题。利用LQR方法完成纵向参考弹道跟踪,并采用改进的侧向制导策略生成侧向弹道。仿真结果表明,给出的制导算法可在线生成满足多种约束的三自由度弹道,在远程滑翔导弹滑翔段制导控制方面有一定的应用前景。

助推-滑翔导弹最大射程优化

对助推-滑翔导弹弹道进行数值优化有利于提高综合飞行能力,针对此问题,给出了一种求解其最大射程弹道的整段优化方法,建立了其纵平面运动模型和弹道优化模型.在考虑攻角、法向过载、分离点衔接及落地条件等约束下,应用序列二次规划法求解了最大射程弹道.结果表明,助推-滑翔导弹比常规弹道导弹射程显著提高,其最优弹道有效地提高了射程和突防能力.

导弹最优滑翔弹道的设计及存在的问题

优化飞航导弹末段无动力飞行阶段的滑翔距离,对于提高导弹的战技指标具有很大的意义。通过优化分析可知,保证最大滑翔距离的最优滑翔策略近似等价于导弹以最大升阻比飞行。为了实现这种飞行策略,首先设计了寻优法实现策略,然后比较了另外两种可行的控制方式,经仿真发现都可以实现理论上的数值最优解。为了在导弹真实飞行时保证这一策略的实现,提出了利用神经网络逼近气动数据的自适应方法,作为进一步工作的方向。

滑翔式远程导弹滑翔段弹道研究

滑翔式远程导弹的滑翔弹道选择对其航程影响极为显著。论文主要研究滑翔段轨迹特性及最大滑翔航程弹道的参数近似计算方法。提出了最大升阻比条件下的平衡滑翔弹道是航程较优的弹道的观点,并对这一观点进行了证明;进而给出了最大升阻比平衡滑翔条件下的主要参数间的解析关系式。仿真计算表明给出的滑翔段参数解析关系式精度较高,能用于最大航程弹道的参数近似计算。

高超声速远程导弹弹道解析估算与特性分析

对于高超声速远程导弹助推-滑翔弹道,提出一种弹道参数的解析估算方法,该方法从能量的角度出发,利用准平衡滑翔条件建立滑翔射程和飞行时间的解析估算公式;在此基础上定量地分析研究升阻比、初始速度等弹道参数对滑翔射程和时间的影响规律;同时在理论上分析了最小能量椭圆弹道的射程和飞行时间特性。基于推导得到的解析估算公式,对比研究滑翔弹道和椭圆弹道的在不同条件下的射程和时间特性,并提出这两种弹道最佳适用范围的确定准则。最后,通过仿真分析表明,解析估算结果与数值仿真结果的误差小于2%,具有较高的精度,能够可靠、有效地分析出滑翔弹道的性能,可为弹道方案的初步选取提供参考。

基于空气动力模型的助推-滑翔导弹跟踪

针对助推-滑翔式再入导弹,提出了一种基于空气动力模型的扩展卡尔曼跟踪算法。首先推导了弹体坐标系和东北天坐标系之间的转换关系,接着描述了两种坐标系下再入目标的空气动力模型,然后建立了目标的运动状态方程和量测方程,给出了扩展卡尔曼滤波过程,最后仿真分析了一条助推-滑翔弹道,并结合该弹道进行了跟踪试验。蒙特卡洛仿真结果表明,所述方法比基于未知输入模型的方法跟踪效果更好,且能有效估计目标的空气动力学系数。

风场中无动力滑翔弹可攻击区研究

基于无动力滑翔弹气动力特性与动力学模型、中/末制导律与控制系统的飞行仿真模型,以及风场模型等,在一定的释放条件下,通过不同风场(即不同风向与风速的组合),计算了大量的可攻击区。利用VC++与Matlab飞行仿真软件,较为直观地比较了无风与不同风场中的无动力滑翔弹可攻击区及相应的六自由度(6DOF)飞行轨迹。大量的数据表明风场改变了无动力滑翔弹的可攻击区的形状及大小。因此,风场是影响无动力滑翔弹命中率与可攻击区的重要因素。当计算无动力滑翔弹的可攻击区时,随机风场必须考虑,这在实战中很有参考价值和工程实用价值。

机动发射条件下助推滑翔导弹射击诸元快速解算

针对机动发射条件下助推滑翔导弹对全程弹道快速生成的迫切需求,在弹道设计中选取7个关键性控制量参数作为全程弹道射击诸元,并提出与之相对应的诸元解算算法。将全程弹道分为助推段、初始下降段、滑翔段和俯冲攻击段,在统一化运动模型描述的基础上,运用参数化迭代的思路,依次对不同飞行阶段诸元进行了快速求解,满足多种复杂约束条件。在全程诸元迭代解算模式的基础上,提出助推段沿用中心弹道诸元,仅对其他射击诸元进行重计算的部分诸元迭代解算模式。仿真结果表明:采用所提助推滑翔导弹射击诸元快速解算方法,可在大范围机动条件下对远距离地面固定目标进行快速精确打击。

高超声速滑翔式BTT导弹鲁棒反演控制器设计

综合考虑高超声速滑翔式BTT导弹各种干扰的影响,建立了具有非匹配不确定性的非线性、强耦合姿态运动方程,并转化为标准形式。针对模型中的未知不确定性,提出了鲁棒估计函数,利用反演控制和自适应控制设计了高超声速导弹的自动驾驶仪,解决了由于对期望虚拟控制量进行求导产生的"计算膨胀"问题,证明了每一步反演设计的Lyapunov稳定性,并进行了数字仿真。仿真结果表明,所设计的自适应反演控制器能够精确跟踪姿态角指令,并对大范围气动参数摄动具有很强的鲁棒性。

洲际助推-滑翔导弹全程突防弹道优化

分析了考虑路径点、勿入区域、天基激光武器与拦截导弹杀伤区等实际问题的洲际助推-滑翔导弹全程突防弹道,给出了弹道分段准则。建立了三自由度运动模型、推力模型、气动模型与气动热模型。针对其弹道优化问题,在同时考虑级间分离、跨声速区、控制、动压、法向过载、热率、壁温、路径点、勿入区域、天基激光武器与拦截导弹杀伤区内机动等约束条件下,建立了全程突防弹道的多约束多阶段弹道优化模型。利用直接打靶法,将此最优控制模型转化为非线性规划问题,并采用序列二次规划算法进行解算。结果表明,文中研究方法适合于解决洲际助推-滑翔导弹全程突防弹道优化问题,所得最优弹道更有利于满足实际作战需求。