变质心再入飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再入飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再入飞行器的控制系统.仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求.     

变质心再人飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再人飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再人飞行器的控制系统。仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求。     

Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术

为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。     

基于ESO的再入飞行器姿态控制

针对飞行器再入姿态控制系统受到较大干扰力矩时,采用目前工程上常用的 “前馈＋PID”控制方法难以获得理想控制精度的问题,提出了采用自抗扰控制技术进行再入姿态控制的方法。首先利用扩张状态观测器对前馈项没有完全补偿的剩余飞行器角加速度进行估计并加以补偿,使得作用在飞行器上的力矩接近于平衡状态,并采用PD控制器进行误差反馈控制,给出了飞行器再入姿态自抗扰控制律,并在频率域分析的基础上给出了控制参数设计原则。仿真结果表明采用本方法能够有效地克服干扰力矩,从而明显地提高再入飞行器姿态动态跟踪精度。     

喷流控制飞行器气动参数辨识方法研究

研究了喷流控制飞行器的气动建模与参数估计方法,以某飞船返回舱飞行试验为例,通过辨识得到了返回舱再入过程中的气动导数、喷流力矩放大系数等重要气动参数。该方法是研究喷流干扰效应的一种有效途径,辨识结果有助于提高返回舱姿态控制的准确度。     

再入飞行器压心测量方法研究

在常规测力风洞试验中,测量天平可以测量出飞行器的气动力和对飞行器质心的气动力矩,按照常规的压力中心计算方法,求得的压力中心位置为气动力作用线与飞行器纵轴的交点,而不是飞行器真实压力中心的准确位置。针对再入飞行器风洞试验常规压心测量无法反映压心确切位置的问题,通过攻角连续变化和数据实时采集技术对再入飞行器压力中心进行了研究,得到了飞行器压力中心具体位置的测量与计算方法,以及其随攻角变化的变化规律。结果表明,得到的计算方法可以准确得到再入飞行器的压心位置。同时还导出了CN和CA分别对飞行器质心产生的俯仰力矩大小的影响:随着攻角的负向增加,CA对Cm的贡献逐渐增加,CN对Cm的贡献逐渐减小,压力中心实际轴向位置和常规计算值中压力中心和纵轴交点位置的差量逐渐增大,而压力中心的法向坐标值并不大;对于再入飞行器,CA对Cm的贡献很大,不能忽略或简化。     

自旋弹头的自适应变结构控制研究

对自旋弹头实现末端机动的变质心控制系统进行了研究。采用牛顿力学方法重新建立了自旋弹头的姿态运动模型。在此基础上,采用自适应变结构控制方法设计了变质心控制系统,对弹头内部质量块的偏移运动进行控制,进而准确地控制自旋弹头的姿态运动。仿真结果表明：所设计的变质心控制系统具有快速性和较高的控制精度,实现了对自旋弹头姿态角的准确控制。     

一种极坐标系升力式再入六自由度仿真模型

建立了升力式再入飞行器在极坐标系下的六自由度模型。首先,定义了建模所需坐标系及转换关系;然后,建立了极坐标系下的升力式再入质心运动方程以及面对称飞行器在体坐标系下的转动方程,并利用坐标转换关系建立欧拉角转换辅助方程;最后,对欧拉角关系、开环六自由度进行了仿真验证。仿真结果表明,该模型可为同时关注位置变量和速度变量的升力式再入飞行器的飞行力学问题研究,如六自由度的轨迹优化、制导控制一体化设计等提供模型参考。     

变质心再入弹头螺旋机动突防弹道设计

为提高高超声速变质心再入弹头的突防能力,设计了一种基于主动螺旋机动的突防弹道。在建立变质心弹头动力学模型和弹目运动学模型的基础上,引入新的控制变量,通过控制质量块的偏移位置,将速度矢量和弹目连线的夹角控制在固定值并且使速度矢量绕弹目连线以一定转速旋转来实现螺旋机动。在实现螺旋机动的基础上,推导了弹体处于螺旋机动状态下的螺旋机动半径和稳态脱靶量均方根的解析解。六自由度弹道仿真表明,所设计的突防方案使再入弹头能够进行有效的螺旋机动,通过合理控制机动幅度大小,可以在实现螺旋机动突防的同时保证较高的命中精度。     

基于内模原理的变质心弹头控制

研究了变质心弹头对配平攻角的能达性条件。针对气动力矩小于滑块惯性力矩的控制失稳问题,利用内模原理,通过增加滑块动力学观测器,将滑块状态引入并结合逆解耦机制,达到去惯性力矩化的局部姿态角速度反馈条件,使用自适应PD控制实现弱气动环境下的变质心稳定控制。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于质量矩技术的机动弹头再入仿真研究

对基于质量矩技术的机动弹头再入性能进行了探讨。首先建立了弹头的空间运动数学模型;然后在此基础上根据再入段特性对运动方程作了适当简化并计算了弹头内部质量块分别处于静止、瞬时置位、线性平动这三种运动状态下的落点参数;最后分析比较了质量块运动的变化对机动范围的影响。仿真结果表明了质量矩技术作为弹头再入机动控制方式的可行性。     

质量矩导弹构型及自适应控制律设计

 质量矩导弹姿态运动模型含有活动质量块的位置、速度和加速度项,是典型的带有输入非线性的快时变多体系统。从构型和控制律设计两方面入手研究该类导弹跟踪控制问题。通过对姿态动力学模型的深入分析,获得了一种使系统具备良好动态品质的构型。以此为基础,建立了仿射型姿态运动模型,利用退步方法设计了控制律;考虑到系统中存在气动参数、外界扰动和执行机构动态特性等不确定因素,设计了鲁棒自适应补偿项;最后进行数学仿真,通过与标准退步控制律进行比较,验证了该控制律的有效性。     

纳卫星变轨段质量矩姿态控制系统设计

提出应用质量矩控制技术实现纳卫星轨道机动过程中的姿态稳定控制。在设计出质量矩滑块构型后,利用动量和动量矩定理推导了八自由度(DOF)动力学模型,并根据动力学分析结果建立了简化控制模型。以此为基础,基于全局滑模控制理论设计了俯仰偏航通道姿态稳定和滑块位置跟踪的鲁棒控制器,并在参数不确定性条件下对控制系统进行了仿真,结果表明:所设计的二维质量矩控制系统能快速控制卫星姿态,并对系统扰动具有较强的鲁棒性,可以应用于纳卫星变轨段的姿态控制。     

气动舵面/RCS复合控制系统构型设计与仿真

针对空天飞行器再入段异构执行机构复合控制问题,基于气动舵面和反作用推力器的特性,提出了适用于空天飞行器的3种气动舵面与反作用控制系统的复合控制构型：指令型、力矩型、指令误差型,以及相应的控制律设计方法,在此基础上完成空天飞行器再入段的控制系统设计。仿真结果表明,3种构型的复合控制系统均能满足指令跟踪性能要求,其中指令型复合控制系统气动舵工作最为平稳,推力器开启频次最少。从工程应用的角度出发,指令型复合控制系统的综合性能最为理想。     

高超声速再入飞行器的多孔流动控制

针对高超声速再入飞行器流动控制问题,提出一种头部进气、尾部排气的多孔流动控制概念。采用Fluent软件针对高超声速再入飞行器无孔模型、排气孔模型在马赫数为6,高度为25km状态下开展了三维雷诺平均N-S方程(RANS)数值模拟研究。结果表明:排气孔模型阻力系数略有增加,下排气孔(SH-DB)模型产生正的升力系数增量和低头力矩增量,上排气孔(SH-UB)模型产生负的升力系数增量和抬头力矩增量,实现了无活动气动面产生控制力矩的目的,为高超声速再入飞行器复合控制提供了参考。      

带控制舵椭圆截面飞行器的气动设计

非圆截面弹身布局在高超声速再入飞行器的机动能力、隐身特性、飞行性能和毁伤效能等方面具有许多潜在的优势,是当前飞行器设计的一个重要发展方向。本文进行了带舵的钝头椭圆截面双锥体的气动布局设计,进一步发展了快速有效的高超声速气动力工程预测方法,并将带舵椭圆截面双锥体的气动特性与带舵圆截面双锥体的气动特性进行了比较。研究表明,带舵的椭圆截面弹身布局方式可以获得较高的配平升力、配平升阻比及配平攻角,利用质心运动和控制舵偏转的综合控制可以获得更高的配平效率,是高超声速飞行器实现大升力、大升阻比飞行的潜在可行方案。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

低空飞行器变质量矩控制响应特性研究

在建立碟形飞行器变质量矩控制数学模型的基础上,对低空飞行器变质量矩控制的响应特性进行了仿真研究。结果表明,变质量矩控制将使飞行器状态产生扰动。分析认为,空气动力在控制过渡过程中发生突变导致了这种扰动的产生。空气动力的这种影响在低空飞行器变质量矩控制系统设计中必须加以分析和考虑。