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计算机仿真 2023年第6期40卷 26-31页

作者：解永锋李森张群陈佳晔北京宇航系统工程研究所北京100076 中国运载火箭技术研究院北京100076

针对重复使用火箭助推级无动力升力式返回任务,为提高飞行器对操纵舵面故障的适应性,提出了一种操纵舵面控制配平特性量化的快速计算方法。将多操纵舵面的控制分配问题转化为混合整型线性规划问题,并通过分析操纵舵面故障下的配平特性,... 详细信息

针对重复使用火箭助推级无动力升力式返回任务,为提高飞行器对操纵舵面故障的适应性,提出了一种操纵舵面控制配平特性量化的快速计算方法。将多操纵舵面的控制分配问题转化为混合整型线性规划问题,并通过分析操纵舵面故障下的配平特性,建立反映控制配平特性的迎角-马赫数约束条件。将属于六自由度模型的配平效应引入到三自由度动力学模型中,与其它路径约束一起用于故障下返回可达域计算和应急返回轨道重构。仿真结果表明,上述方法可以快速量化评估舵面故障对控制配平特性造成的影响,提高轨道重构算法计算效率和适应性。

关键词：重复使用火箭助推级无动力返回控制分配配平特性轨道重构

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高超飞行器末端能量管理轨迹设计技术

高超飞行器末端能量管理轨迹设计技术

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作者：王震南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航天运输技术的快速发展,可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)凭借其安全性、低成本、自主性成为当今飞行器中的翘楚。本文围绕可重复使用运载器末端能量管理段的轨迹设计方面问题展开研究,论文的主要研究内容如下:(1)... 详细信息

随着航天运输技术的快速发展,可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)凭借其安全性、低成本、自主性成为当今飞行器中的翘楚。本文围绕可重复使用运载器末端能量管理段的轨迹设计方面问题展开研究,论文的主要研究内容如下:(1)为了准确地描述飞行器返回段的动力学效应,建立了基于动压和高度的质点动力学模型,构建了基于动压-高度剖面的轨迹生成方法与基于迎角迭代的轨迹生成方法,生成了最大俯冲剖面和最大滑行剖面组成的能量走廊,得到了能量走廊内最优返回高度剖面(2设计了基于圆柱位置和半径迭代的二维轨迹生成算法,将末端区域能量管理段分为S转弯、捕获段、航向校准段、进场前飞段,自动生成可飞的返回轨迹,通过优化迭代轨迹参数,使飞行器返回过程中满足动压、过载以及最大滚转角等约束要求。(3)针对飞行器在末端能量管理段能量与航程耦合紧密的问题,构建了基于初始能量调度三维轨迹的制导方法。根据飞行器的能量状态,设计了大动压制导、标称制导、小动压制导策略,获得预测航程,结合二维轨迹生成方法,获得返回轨迹参数,使得飞行器沿参考轨迹返回,实现航程对能量的精确耗散,使飞行器以期望的能量状态平稳进入着陆窗口。(4)针对初始能量、位置、航向大范围散布的问题,设计了基于圆柱位置离散化的三维轨迹调度方法。根据最优剖面选取原则,获得了最大能量、标称能量、最小能量下的最优航程,结合二维轨迹生成方法,确定三个固定校准圆。最后根据不同初始状态选择校准圆柱,确定返回轨迹。该方法抑制了初始参数摄动对轨迹的影响,实现飞行器以期望的状态与航向进入着陆窗口。最后,在MATLAB/Simulink环境下进行了高超飞行器末端能量管理段的仿真结果表明,本文提出的轨迹制导方法能够容忍飞行器在末端能量管理窗口初始位置、航向以及能量的不确定性,满足返回过程中的轨迹约束,并且能以期望状态到达着陆窗口,其整体误差收敛在2%以内,可以实现安全返航。

关键词：末端能量管理无动力返回能量走廊动压剖面能量耗散轨迹制导

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高超音速无人机能量管理段制导与控制技术研究

高超音速无人机能量管理段制导与控制技术研究

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作者：张冬南京航空航天大学

学位级别：硕士

末端区域能量管理(TAEM)段是高超音速无人机(HUAV)返航过程中至关重要的一个阶段,其目的是控制高超音速无人机的能量,使其以期望的能量状态到达自动着陆窗口(ALI),本文围绕TAEM段能量管理、制导、控制等问题展开研究,取得的主要研究成... 详细信息

末端区域能量管理(TAEM)段是高超音速无人机(HUAV)返航过程中至关重要的一个阶段,其目的是控制高超音速无人机的能量,使其以期望的能量状态到达自动着陆窗口(ALI),本文围绕TAEM段能量管理、制导、控制等问题展开研究,取得的主要研究成果如下:(1)针对高超音速无人机在TAEM段起始窗口能量、位置大范围散布的问题,采用基于动压-高度剖面的轨迹生成方法,建立了基于能量-航程剖面的能量评估机制,生成了基于最陡下滑剖面和最大航程剖面组成的能量走廊。通过精确控制单位航程的能量耗散率实现对能量的管理,使高超音速无人机以期望的能量状态到达自动着陆窗口。(2)针对高超音速无人机的TAEM段轨迹跟踪问题,在建立了高超音速无人机的三自由度质点动力学模型后,设计了基于轨迹剖面的制导律。根据TAEM段起始窗口处高超音速无人机的能量状态设计了最大能量、标称能量、最小能量制导策略。针对纵向高度剖面跟踪问题,设计了基于过载的高度跟踪制导律。针对横侧向地轨迹跟踪问题,设计了基于滚转角控制的航向制导律。最终实现了纵横向三维轨迹的高精度跟踪和安全返回着陆窗口的制导目标。(3)针对TAEM段飞行包线大、飞行状态变化剧烈的姿态稳定控制问题,建立了高超音速无人机的六自由度非线性模型。基于过载与迎角的关系,将过载控制问题转化为迎角控制问题。设计了基于反演控制的迎角控制律,采用动态面方法获取俯仰角速率、速度和下滑角的导数,避免了微分计算复杂问题。基于二阶跟踪-微分器设计了一种非线性干扰观测器,实现了对迎角、俯仰角速率、速度和下滑角的不确定性估计和补偿。最终实现了对高超音速无人机在TAEM段的姿态稳定控制。最后,在Matlab/Simulink平台搭建非线性仿真环境,对高超音速无人机的TAEM段返航过程进行仿真验证。仿真结果表明了制导策略的合理性和制导律的正确性,高度跟踪误差不超过总高度的1.7%,控制律的响应速度较快、稳态误差较小。

关键词：高超音速飞行器末端区域能量管理无动力返回轨迹剖面制导约束控制反演控制

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