基于STK的空天飞行器全程航迹模拟仿真研究

准确模拟空天飞行器的飞行航迹,是验证空天飞行器导航算法正确性、研究导航系统性能的重要前提和基础.为对空天飞行器的全程飞行航迹进行模拟仿真,提出了利用动力学软件设计出高可信度、高精度动态飞行航迹的方法.针对空天飞行器发射段、在轨段、灵活变轨段、高速再入段4个不同飞行阶段,分别使用了STK软件中的运载火箭、卫星以及飞机模型,并结合空天飞行器不同阶段的运动特性设置了模型的相关参数,实现了空天飞行器的全程分段航迹模拟.利用获得的STK数据报告对空天飞行器进行了惯性导航系统仿真,仿真验证结果表明,STK设计的航迹能有效满足导航系统的仿真要求.     

空天飞行器及动力技术发展研究

空天飞行器是航空航天领域重要的研究发展方向,主要有飞行器与发动机气动外形一体化设计、气动热防护、推进和制导控制四个系统性关键技术,本文仅对飞发一体化和推进技术进行研究与分析。首先从高超声速的定义入手,分析了空天飞行气动热和气动力的特点;然后比较了四种不同飞行器气动外形在性能、结构、制造、经济性和使用操纵方面的优劣,研究了不同类型空天组合动力技术的特点;最后从步骤、方法与措施等方面给出了空天飞行器及动力的发展建议。     

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。     

基于SABRE技术的高超声速预冷飞行器应用分析

结合热力循环过程建模和数值模拟分析方法,构建了基于SABRE技术的佩刀发动机方案并对发动机特性进行分析。根据发动机模态特点和特性优势,综合文献资料,对佩刀发动机的飞行器应用方式进行了分析。分析认为,佩刀发动机有希望为多种飞行器应用方向提供动力,包括为临近空间巡航飞行器和亚轨道载荷发射/投放、空天入轨等飞行器提供动力。     

Autonomous Control Reconfiguration of Aerospace Vehicle Based on Control Effectiveness Estimation

未来空天飞行器跨空天两域飞行,要求有较高的自主性以适应由故障和环境变化带来的不确定因素。针对空天飞行器的不确定性,提出了自主控制重构方案。研究了线性模型的时变控制效益的估计方法,提出并证明了效益矩阵可估计的充分条件,给出了相应的算法并证明了其收敛性和对噪声的鲁棒性;提出了基于线性规划和模糊逻辑的控制分配算法,通过冗余效应器实现了不确定条件下的自主控制重构。系统集成和仿真结果分析验证了方案和算法的有效性。     

吸气式空天飞行器飞行控制方法探析

针对"吸气式空天飞行器(气动/动力/结构)强耦合特性引起的不确定非线性控制"问题,首先,分析了引起吸气式空天飞行器强耦合特性的原因及其对飞行控制的不利影响;然后,剖析了可用于吸气式空天飞行器控制的四种典型理论方法;之后,针对吸气式空天飞行器模型的非线性和不确定性,探索了基于高阶滑模和鲁棒自适应两种理论的飞行控制方法,给出了具体的控制器设计思想;最后,评价了两种控制方法应用于吸气式空天飞行器的优势和局限性。     

空天飞行器机翼/翼型的需求分析及应用

空天飞行器飞行空域大,速域宽,经历亚/跨/超/高超声速飞行,气动特性变化大,传统翼型难以同时满足低速、高速时的设计要求,给机翼/翼型设计提出了新的挑战.本文围绕飞行环境特点,分析了低速高升力与高速高升阻比、升重匹配、结构热防护等设计要求,提出了空天飞行器对机翼/翼型设计的新需求.基于一种新的宽速域翼型,采用数值模拟方法,开展三维流动下翼型与机翼平面形状的一体化优化设计,获得了一种翼型沿展向变化的新机翼,相对优化前,低速时机翼产生的升力效率提高了36.3％,超声速和高超声速升重平衡升阻比分别提高了33.4％和12.9％,新机翼能更好地兼顾低速、跨声速、超声速和高超声速气动性能的要求.将新机翼应用于典型空天飞行器,再通过全机气动外形优化设计,进一步提高了宽速域飞行时升重平衡下的使用升阻比,高亚声速时提高了5.9％,超声速时提高了10.3％,高超声速时提高了0.7％,解决了低速飞行时高升力与高速飞行时高升阻比的需求矛盾,并获得了一种满足宽速域总体设计要求的空天飞行器气动布局.研究成果具有一定工程指导意义.     

吸气式空天飞行器闭环上升制导研究

闭环上升制导是吸气式空天飞行器达到快速优化、实时规划以及自主制导的必然要求。采用GHAME吸气式空天飞行器作为研究对象,提出了闭环上升制导最优控制方案,重点论证了该方案不存在关于节流阀值的奇异问题,并阐述了最优推力控制的Bang-Bang控制。引入有限差分法求解两点边值问题,并通过终端时刻调节算法求解终端时刻自由问题。仿真结果表明,所提出的闭环制导算法是有效、可行的,具有显著的优越性。     

基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法

针对空天飞行器应用传统数值预测校正再入制导算法实时性不佳的问题，提出一种基于Kalman滤波的预测校正制导算法。该算法采取四阶多项式拟合速度-高度飞行剖面，利用Kalman滤波估计选定的速度点对应的高度，得到满足再入走廊及航程要求的拟合系数。在此基础上，减少一个终端约束，增加一个待估计剖面参数，可实现对再入过程飞行时间的调节。研究发现，再入过程中通过在线辨识修正不确定性参数能够提高制导指令的适应性；飞行末段利用跟踪参考剖面制导可有效避免飞行速度与终端速度接近时发生拟合系数求解发散的问题。多组不同再入条件下的算例仿真结果表明，基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法实时性好，制导精度高，能够实现飞行时间可控，具有较强的鲁棒性和工程应用潜力。     

空天飞行器乘波设计的概念研究

基于高超声速空气动力学和反馈控制的有关理论,结合反演设计思想,对空天飞行器乘波设计方法进行概念研究,研究包括乘波体的外形设计、表体激波作用力的估算、复杂飞行器模型的构建及恒动压定加速爬升的控制.仿真研究表明,所提出的方法适合于乘波体的设计,并能确保飞行器安全地完成预定任务.