可重复使用运载器亚轨道再入段制导与控制技术研究

摘要

可重复使用运载器(RLV)亚轨道飞行试验，用于验证其在高空高马赫数下的总体，气动力/气动、制导与控制等关键技术。RLV由母机携带投放，经发动机助推后达到高度72kin、马赫数6左右，并无动力返回水平着陆。亚轨道再入段是指从最高点开始无动力下滑，到达末端区域能量管理段(TAEM)的飞行过程。亚轨道再入段飞行约束强、动力学特性复杂，为保证安全到达TAEM段入口，本文研究其制导与控制的关键问题。
　　 亚轨道再入段的高度和速度介于轨道再入段和TAEM段之间，本文将飞行过程分为三个阶段：迎角恢复段、过载保持段和迎角过渡段。迎角恢复段保持常值大迎角下滑，抑制下沉率并建立过载。当过载达到预定值时转入过载保持段，保持固定过载飞行，下沉率逐渐减小。当下沉速率小于预定值时进入迎角过渡段，迎角过渡段用于降低迎角和过载并过渡到TAEM段。本文按飞行阶段展开制导技术研究，并研究大迎角横侧向控制技术。
　　 迎角恢复段和过载保持段制导的主要任务是满足动压约束。该阶段下沉率决定动压变化率，只能通过迎角或过载控制下沉率间接控制动压。考虑飞行约束，给出了基于迎角指令和过载指令的轨迹设计方法。针对初始状态偏差和气动偏差对动压的影响，提出了根据初始高度调整迎角指令和过载指令的制导策略，并给出了根据下沉率偏差补偿过载指令和迎角恢复段跟踪下沉率的制导策略。返回最高点的高度和速度超出一定范围时，制导将无法满足动压约束，本文用返回高度上边界描述制导能力的限制，并给出了高度上边界的算法。
　　 为提高制导的自适应能力，在迎角恢复段和过载保持段研究了基于动压的预测-校正法制导。利用质点动力学方程积分实时预测动压峰值，根据动压偏差以迭代法在线校正迎角指令和过载指令。动压峰值与迎角指令、过载指令间的单调关系保证了制导律的安全性。
　　 迎角过渡段的制导任务是满足末端高度和速度约束。为避免轨迹跳跃和保证航程要求，进入迎角过渡段的时机与高度、马赫数和过载有关，本文根据地面仿真设计切换时机。为保证TAEM段的窗口约束，以基于动压剖面的规划方法设计迎角过渡段轨迹。本文给出了高度-动压剖面的线性规划方法，以及高度-航程剖面的解析算法。
　　 迎角恢复段和过载保持段以大迎角下滑，导致荷兰滚稳定性下降、副翼控制滚转反极性。而且偏航角速率到方向舵反馈的阻尼失效，方向舵的操纵补偿难以改善副翼的操纵性能。本文分析大迎角横侧向控制特性，研究了非常规的“副翼增稳荷兰滚，方向舵增稳滚转模态和控制滚转角”策略，其中气动舵面的作用与传统的控制角色完全相反。仿真表明该控制策略符合RLV大迎角高马赫数下的气动特性。
　　 返回初期方向舵效率不足需要使用反作用推力控制系统(RCS)辅助控制。控制律设计时将RCS作为连续力矩，按线性系统设计控制律，利用冲量积分等效原理在离散的RCS上实现非线性仿真，仿真结果验证了该方案的有效性。
　　 最后，以“等效飞控”的思想设计了RLV实时仿真验证平台，进行亚轨道再入段的全过程非线性仿真。仿真结果表明制导策略与控制策略的合理性以及制导规律与控制规律的鲁棒性。

目录

文摘

英文文摘

图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 RLV概述

1.2 课题研究背景

1.2.1 关键技术演示验证试验

1.2,2 亚轨道飞行试验和亚轨道再入段

1.3 RLV制导与控制的研究现状

1.3.1 初期再入段制导与控制

1.3.2 末端区域能量管理段(TAEM)制导

1.3.3 航天飞机滑翔返回发射场(GRTLS)的飞行方案

1.4 课题研究目的与意义

1.5 本文的研究内容

第二章 动力学模型研究

2.1 RLV非线性数学模型

2.1.1 坐标系定义

2,1.2 气动力和气动力矩

2.1.3 气动数据的增量形式

2.1.4 六自由度刚体运动方程

2.1.5 纵向质点动力学方程

2.2 基准剖面及配平线性化

2.3 RLV对象特性分析

2.3.1 飞行约束

2.3.2 升阻比特性

2.3.3 平衡重力的能力

2.3.4 舵面的配平能力

2.3.5 模态特性

2.3.6 横侧向稳定性分析

2.4 小结

第三章 制导与控制的整体方案

3.1 亚轨道再入段的飞行阶段划分

3.2 制导与控制的整体框架

3.2.1 制导技术

3.2,2 控制技术

3.3 制导策略

3.3,1 迎角恢复段和过载保持段制导

3.3.2 迎角过渡段制导

3.4 控制策略

3.4.1 横侧向控制

3,4.2 纵向控制

3.4.3 RCS控制

3.5 系统仿真验证

3.6 小结

第四章 迎角恢复段和过载保持段的制导技术研究

4.1 引言

4.2 制导问题描述

4.3 迎角恢复段和过载保持段的轨迹规划

4.3.1 动压变化率的物理机制分析

4.3.2 迎角和过载对动压的影响分析

4.3.3 迎角指令和过载指令的设计方法

4,3.4 迎角恢复段和过载保持段的标称轨迹

4,3.5 标称轨迹的控制实现

4.4 迎角恢复段和过载保持段的制导策略

4.4.1 初始高度偏差引起的制导指令调整

4.4.2 气动参数偏差对制导的影响分析

4.4.3 过载指令补偿策略

4,4.4 迎角恢复段跟踪下沉率

4.5 返回高度上边界

4.5.1 返回高度上边界的物理意义

4,5.2 迭代法计算高度上边界

4.5.3 解析法计算高度上边界

4,6 基于动压的预测一校正法制导

4.6.1 基于动压的预测一校正制导策略

4,6.2 预测一校正算法

4.6.3 算法的安全性和实时性分析

4.7 小结

第五章 迎角过渡段的制导技术研究

5.1 引言

5.2 迎角过渡段的开环制导方案

5.2.1 迎角和过载的过渡方案

5.2.2 迎角过渡段的切换时机

5.2.3 迎角过渡段的开环制导仿真

5.3 基于动压剖面的迎角过渡段轨迹规划

5.3.1 基于动压剖面的轨迹设计方法

5.3.2 迎角过渡段的飞行特性分析

5.3.3 迎角过渡段动压剖面的规划方法

5.3.4 迎角过渡段轨迹设计与轨迹仿真

5.3.5 迎角过渡段的闭环制导仿真

5.4 小结

第六章 大迎角横侧向控制技术研究

6.1 引言

6.2 横侧向控制特性分析

6.2.1 横侧向状态方程

6.2.2 大迎角下的荷兰滚模态特性分析

6.2.3 横侧向特征结构分析

6.2.4 滚转角速率到副翼开环特性分析

6.2.5 偏航角速率到方向舵开环特性分析

6.2.6 副翼操纵性能分析

6.3 RLV横侧向控制策略

6.3.1 横侧向增稳回路

6.3.2 滚转回路的控制

6.3.3 控制切换问题

6.4 横侧向控制律设计

6.4.1 迎角恢复段和过载保持段控制律设计

6.4.2 迎角过渡段控制律设计

6.5 航向RCS控制研究

6.6 小结

第七章 基于等效飞控的RLV仿真验证平台

7.1 基于等效飞控的开发方法

7.2 RLV仿真验证平台的实现

7.2.1 集成仿真控制台

7.2.2 等效飞控软件

7.3 非线性仿真结果

7.3.1 纵向仿真验证

7.3.2 横侧向仿真验证

7.4 小结

第八章 总结与展望

8.1 本文的主要研究内容与贡献

8.2 需进一步研究的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文