移动质心飞行器的参数辨识和补偿控制

受质量块大小和位移的限制,移动质心不能像空气舵那样产生很大的力矩.因此飞行器的再入攻角对静稳定度很敏感,尤其在小静稳定度下,静稳定度稍有改变,配平攻角将发生很大变化.飞行器再入过程中的烧蚀、侵蚀以及边界层转捩所造成的小不对称量所产生的不对称力矩与质心移动后产生的控制力矩相比,不是小量.以所建立的移动质心控制飞行器的数学模型为基础,辨识飞行器静稳定度和小不对称量,对小不对称量造成的气动力矩用前馈一反馈复合控制加以补偿.仿真分析表明,移动质心控制对高速再入的飞行器具有良好的末修能力,能有效提高再入段的控制精度.     

飞行器变质心控制及性能分析

在合理简化基础上,推导了滑块运动与飞行器姿态角运动之间的关系,分析了配平攻角产生机理及条件;同时还深入分析了轴向位置、横向偏移量、质量比等滑块结构参数对配平攻角的影响;以及不同配平条件下弹道落点偏差情况。结果表明,气动阻力与系统质心偏移弹体纵轴是产生配平攻角两个必要因素,系统静稳定是产生配平攻角的前提条件;轴向位置决定了系统静稳定裕度,与配平攻角呈反比关系;横向偏移量改变控制力矩的力臂,与配平攻角呈正比关系;质量比对力臂和系统静稳定裕度均有影响,与配平攻角呈线性或非线性正比关系;变质心控制能力主要体现在低空段。     

变质心飞行器姿态与弹道性能分析

对变质心飞行器的姿态和弹道性能进行了分析.根据变质心控制原理得到飞行过程中总配平攻角表达式.从该表达式中获得影响姿态的滑块参数,并分析了这些参数对总配平攻角的影响;从气动力矩的角度分析滑块参数对滚动角的影响;根据配平状态下所受到的横向过载,分析了滑块参数对弹道机动能力的影响.分析结果表明,滑块质量比对姿态和弹道的影响最大,质量比增大20%攻角和弹道落点偏差分别增加38%和36%;其次是横向偏移量;最后是轴向安放位置.     

吸气式高超声速巡航飞行器飞行攻角的模型参考自适应滑模控制

针对吸气式高超声速巡航飞行器发动机进气道关闭、进气道打开、发动机点火工作3个状态下俯仰通道气动系数和配平舵偏角变化大的特点,设计了一种基于参考模型的自适应滑模攻角控制律.在滑模控制中引入了自适应参数调节律来逼近不确定的模型参数变化和外界干扰,有效地改善了飞行器俯仰通道的动态和稳态性能,同时对于气动系数和配平舵偏角的变化...     

一种翼身组合体的气动设计及优化

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载。采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法。提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案。本方案在5°攻角时升阻比可达6.5,并给出了飞行器稳定配平的质心布置条件。在纵向稳定配平时,组合体飞行器在偏航及滚转方向均为静/动稳定的。研究表明,本方案可在较小攻角时获得较大升阻比,并具有纵横向稳定性,是高超声速机动的潜在可行方案。     

应急救生时返回舱分离后的姿态运动研究

研究了低高度大气层内飞船应急返回时返回舱的姿态运动规律。返回舱分离后以非配平攻角飞行，大分离角速度和大气动力矩作用下其飞行姿态不稳定，必须利用自身的控制发动机和受到的气动力拒使其俯仰机动定位到大头朝前的姿态（呈配平飞行），仿真表明这需要一个较长的衰减振荡过程。一种通过实时调整质心位置以改变气动力矩大小，从而达到减小振幅、改善并缩短其振荡过程的方法被提出，它为宇航员承受过载和启动回收着陆系统创造了有利条件。     

带有攻角约束的吸气式高超声速飞行器反步法控制

吸气式高超声速飞行器机动时攻角需要被约束在一定范围内以满足超燃冲压发动机的正常工作条件。针对飞行器攻角约束控制问题,使用反步法和扩展状态观测器设计了带有攻角约束能力的航迹倾角鲁棒跟踪控制器。在反步法控制器的基础上,通过构建控制模型同阶的补偿系统来限制攻角响应的幅值。当攻角超出限制边界阈值时,补偿系统以攻角和阈值的差为输入产生补偿信号。补偿信号对反步法控制器中每一步控制信号进行修正达到限制飞行器攻角幅值的目的。控制系统中还引入了扰动观测器对模型的不确定项进行估计和补偿,以提高控制系统的鲁棒性能。稳定性分析证明了这种控制器设计方法满足Lyapunov稳定性。数值仿真结果表明,该方法在具有良好的攻角约束作用和鲁棒性能。     

考虑伺服回路动态的飞行器攻角鲁棒控制技术

为增强飞行器姿控回路与伺服回路的协调匹配性,提升整个姿态控制系统的综合性能,在考虑飞行器伺服回路动态特性的基础上研究其姿态控制方法。以俯仰通道为例,基于多鲁棒面控制和动态面控制理论,提出一种考虑伺服回路动态特性的攻角鲁棒控制方法,有效解决了回路之间的协调控制问题。计算机仿真结果表明:相比于未考虑伺服回路动态特性的攻角控制方案,该控制方案的攻角跟踪效果更好,飞行器姿控外回路和伺服内回路协调匹配性得到提升,且该方案确保了攻角控制系统具备更优越的综合性能指标。研究成果可重点应用于具有高动态和轻质化需求的飞行器姿态控制领域。     

返回舱动稳定特性风洞试验的影响参数

再入飞行器需要大阻力减速而采取钝锥外形,这种气动布局外形的飞行器动稳定风洞试验结果易受到质心位置、尾迹干扰和极限环运动等因素的影响。通过风洞试验研究了不同质心位置、不同支撑方式下尾迹干扰对返回舱配平角和动稳定性的影响,以及不同稳定模态下,试验方法对试验结果的影响。指出了在动稳定风洞试验中必须精确模拟返回舱质心位置,在大攻角状态下采取弯支杆支撑方式减少尾迹干扰,并针对极限环运动,采取轴承一滑块大振幅自由振动试验,才能得到正确的返回舱动稳定特性。     

类Clipper再入返回飞行器气动特性分析

针对类Clipper再入返回飞行器的气动特性,采用近似反设计的方法,在飞行器外包络等约束条件下,通过形状控制函数,计算出类Clipper飞船的气动外形。基于计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,研究分析类Clipper再入返回飞行器在不同高度、不同马赫数和不同攻角下的全空域/速域气动特性变化规律,并结合不同飞行状态下的压心位置探讨飞行器的稳定性。结果表明:类Clipper再入返回飞行器在不同飞行状态下能够具有良好的气动特性,最大升阻比可达1.1以上,属于中等升阻比再入,总体呈现出良好的静稳定性,可在未来作为具有可重复使用再入返回飞行器的方案之一。     

基于布局优化的飞行器变质心控制性能研究

研究了变质心再入飞行器的控制性能。对力矩的分析发现活动质量体配置于弹体质心处能降低相对运动对飞行器的影响,且飞行器三通道间的动力学耦合也将减轻。将活动质量体配置在弹体质心以优化变质心控制结构布局,并设计姿态控制律,比较了布局优化和未优化的姿态响应和滑块运动。结果表明:采用布局优化不仅能提高变质心控制的操纵性,改善姿态响应的动态品质,而且滑块的运动品质也得以改进。     

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制.本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小.本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据.     

基于变质心控制方式的再入弹头控制模式研究

弹头变质心机动控制是通过移动弹头的质心位置,利用气动配平力矩改变弹头的飞行姿态和攻角,从而可实现弹头机动控制。本文在推导变质心弹头的动力学方程的基础上,通过分析其方程组的特点并结合弹头再入过程中的气动、速度等参数变化规律,给出了变质心弹头再入过程中宜采用的控制模式,为变质心弹头控制律的设计提供了理论参考。     

改善返回舱气动稳定特性数值计算研究

和第一宇宙速度载人再入飞行相比,以第二宇宙速度载人再入飞行对返回器的升阻比要求较高。文章给出了一种升阻比能够满足第二宇宙速度再入需求的返回器基本外形,分析了基本外形的气动性能以及质心位置对气动稳定特性的影响,结果表明基本外形在高超声速和亚声速下均存在第二静稳定配平点的问题。为了改善基本外形的气动稳定特性,文章提出了多种改进外形设计,包括增加稳定耳片、改变尾部外形设计等。通过数值模拟对这些改进外形的气动稳定性进行了分析,结果表明这些改进设计对于改善返回器的单点稳定特性是有效的。通过对流场特性的详细分析,对改进气动设计改善返回器稳定特性的机理进行了揭示和阐释。     

基于平衡滑翔的升力再入攻角设计分析及应用

针对面对称中高升阻比飞行器再入攻角的优化问题,从工程角度系统分析了升力再入攻角优化问题的多种约束,基于平衡滑翔条件结合失速攻角、初始再入攻角和平衡滑翔攻角等,得到了再入段飞行的攻角设计空间,并给出了再入攻角剖面设计的具体可行方法。所提出的设计方案可用于快速选定满足各种过程约束的速度-攻角剖面;将该攻角设计方法应用于覆盖区优化问题,在继承已有方法的快速求解速度下,仿真结果及对比表明所规划的攻角剖面具有与直接法相似的最优性。     

Numerical Simulation of Unsteady Flow of Reentry Capsule

As a main tool for the lunar exploration and Mars landing project, the reentry capsule is responsible for the transportation of personnel and supplies, and it is very important to ensure its safety. The complex flow field caused by the shape of the large blunt cone makes it unstable in transonic and supersonic flight, so its dynamic characteristics need to be analyzed. This paper analyzes the dynamic characteristics of the reentry capsule by computational fluid dynamics(CFD) numerical simulation. The pitching combined dynamic derivative was obtained by simulation of forced pitching oscillation of the flight vehicle using the rigid dynamic grid; the time difference derivative was obtained by simulation of plunging of the flight vehicle using the rigid dynamic grid, too. The direct dynamic derivative was gained by negating the plunging derivative from sum. This paper simulates the pitching and plunging motion of NACA0012 air foil and hypersonic ballistic shape(HBS). The results of the simulation are consistent with the references. The Mars exploration rover entry capsule was simulated and analyzed to ensure a basis for the aerodynamic design and control of the reentry capsule.     

Analysis of the Accuracy of Ballistic Descent from a Circular Circumterrestrial Orbit

The problem of the transportation of the results of experiments and observations to Earth every so often appears in space research. Its simplest and low-cost solution is the employment of a small ballistic reentry spacecraft. Such a spacecraft has no system of control of the descent trajectory in the atmosphere. This can result in a large spread of landing points, which make it difficult to search for the spacecraft and very often a safe landing. In this work, a choice of a compromise scheme of the flight is considered, which includes the optimum braking maneuver, adequate conditions of the entry into the atmosphere with limited heating and overload, and also the possibility of landing within the limits of a circle with a radius of 12.5 km. The following disturbing factors were taken into account in the analysis of the accuracy of landing: the errors of the braking impulse execution, the variations of the atmosphere density and the wind, the error of the specification of the ballistic coefficient of the reentry spacecraft, and a displacement of its center of mass from the symmetry axis. It is demonstrated that the optimum maneuver assures the maximum absolute value of the reentry angle and the insensitivity of the trajectory of descent with respect to small errors of orientation of the braking engine in the plane of the orbit. It is also demonstrated that the possible error of the landing point due to the error of specification of the ballistic coefficient does not depend (in the linear approximation) upon its value and depends only upon the reentry angle and the accuracy of specification of this coefficient. A guided parachute with an aerodynamic efficiency of about two should be used at the last leg of the reentry trajectory. This will allow one to land in a prescribed range and to produce adequate conditions for the interception of the reentry spacecraft by a helicopter in order to prevent a rough landing.     

一种适用于攻击地面固定目标的最优再入机动制导律

本文运用飞行力学原理和现代控制理论，对攻击地面固定目标的飞行器的再入机动制导方法进行了研究。在考虑飞行器命中目标时有落地速度和速度角要求的条件下，推导出了一种适用于攻击地面固定目标的最优再入机动导引律。并通过模拟计算分析论证了该制导规律的正确性。     

高度-速度剖面内再入轨迹快速规划

提出一种升力式再入航天器进入稠密大气后的轨迹规划方法。在预先设定攻角剖面的前提下，利用路径约束(驻点热流、动压和过载)在高度-速度(H-V)剖面内直接获得轨迹下边界；利用终端约束确定以轨迹下边界为基准的高度增量，进而通过下边界与高度增量的加和形成满足要求的再入轨迹。其中，增量的形式选取为分段二次型函数，其大小可通过割线法快速获得。倾斜角大小可根据纵向动力学方程反解得到，其方向依据航向误差角走廊确定。通过对典型工况的仿真，结果表明所提方法能够快速规划出再入轨迹，且适应性好。     

载人深空探测进入/再入走廊设计方法研究

载人航天器的进入/再入走廊刻画了进入地外天体或再入返回地球时允许的进入/再入角范围。载人深空探测进入/再入过程中,载人航天器必须满足进入/再入走廊约束,以避免经历过大的过载、热流和总加热量等力/热环境,威胁进入/再入飞行安全。文章研究载人深空探测进入/再入走廊的设计方法,通过融合载人航天器进入/再入预测校正制导,验证进入/再入走廊的可行性,并采用基于安全系数的偏差因素影响分析方法,获取进入/再入走廊的设计裕度。最后,以载人月地再入返回为例,具体阐明了再入走廊的设计方法,并通过数学仿真验证了设计方法的有效性。研究结果将为载人深空探测进入/再入走廊设计以及进入/再入返回总体设计提供技术参考。