天地往返可重复使用运载器再入飞行GNC系统关键技术

天地往返可重复使用运载器(RLV)在未来天战中将扮演重要角色。目前各军事大国围绕RLV的关键技术开展了广泛深入的研究。再入飞行是RLV飞行任务的重要阶段,而制导、导航与控制(GNC)系统则是RLV的核心系统之一,是RLV再入飞行的“脑系统”。本文分析了RLV在再入飞行阶段GNC系统的任务要求,明确其体系结构,分析GNC系统存在的问题,给出了深入研究GNC系统需要解决的关键技术和进一步研究的方向。     

适应于RBCC运载器的轨迹优化建模研究

根据RBCC动力系统工作原理,分析了RBCC运载器上升段轨迹特点和设计矛盾。针对此类飞行器工作模态多、冲压模态约束条件复杂、传统优化模型无法求解其全局最优解的问题,以Radau伪谱法为基础,建立了基于混合积分变量的全程最优轨迹求解模型,并引入连接条件模型。该模型可以有效处理RBCC运载器多段飞行轨迹约束条件,克服了传统建模方法的不足。采用50km、Ma8运载任务算例校验优化模型,优化结果显示,所研究模型符合RBCC运载器工作特点和任务需要,可快速求解此类运载器上升段最优轨迹。     

某RLV飞行器投放轨迹的设计与分析

对于可重复使用发射式飞行器RLV(Reusable Launch Vehicles)设计投放轨迹,并作轨迹特性分析.根据投放几何和飞行器性能约束确定目标轨迹,将轨迹分为四个阶段,分别为:消耗多余能量的S型转弯段;改变飞行器航向并转向航向校正圆柱HAC (Heading Alignment Cylinder)的过渡飞行段;航向校正圆柱段;进一步调整能量以满足终端要求的着陆前飞行段.在各段衔接处设置窗口检查,在轨迹仿真过程中对轨迹进行进一步调整,得到投放轨迹.作为导航和控制的参考轨迹,还对飞行器进行了沿轨迹的操稳性分析和检查.结果表明所建立的轨迹设计方法能够提供满意的精度;轨迹对常值扰动敏感,对高频扰动不敏感.     

融合式内外层结构受力特性分析

重复使用飞行器(RLV)在机身内部安装贮箱,形成融合式内外层结构,其受力特性的分析对减轻结构重量、提高结构可靠性有重要意义。针对RLV融合式内外层结构提出静定结构和静不定结构共三种连接方案,采用有限元分析方法对其进行静力分析;并通过改变内外层结构的厚度,来探究厚度对其传力比例的影响。结果表明:静不定结构连接方式比静定结构更加合理;通过改变厚度的方法来调整轴向载荷在内外层中的分配比例,可以使内外层结构均得到充分利用。     

带预设性能的火箭垂直着陆段姿态自适应控制设计

可重复使用运载火箭是典型的复杂非线性、强不确定性系统，其着陆飞行过程中存在的未知环境干扰和未建模动态将严重影响火箭姿态系统的稳定性。针对此情况，设计了火箭垂直着陆段飞行的姿态自适应控制系统，以解决上述不确定性所带来的不利影响；同时，引入误差转换技术，使得控制器能同时保证系统预设的瞬态性能和稳态性能。仿真结果表明，设计的控制算法能满足飞行姿态控制性能要求，且对外部干扰和模型不确定性具有较强的鲁棒性。     

滑翔再入飞行器横侧向耦合姿态控制策略

针对气动舵面仅为两片体襟翼的欠驱动构型可重复使用运载器(RLV)再入过程中的强耦合现象,提出一种基于此类布局飞行器耦合特性的横侧向控制策略。在分析惯性耦合、运动耦合和稳定性耦合的产生机理与规避方式的基础上,计算标称轨迹下的急滚稳定边界并将倾侧角指令速率限制在此边界内以稳定惯性耦合;针对现有的荷兰滚模态预测式不适用于此布局飞行器的问题推导出一种新的荷兰滚运动预判方法,并根据预判结果设计控制增益。最终得到低动压下体襟翼-反作用力控制系统(RCS)复合控制策略和高动压下体襟翼单独作用的横侧向耦合控制策略。六自由度(6-DOF)仿真结果表明该控制策略能很好地跟踪制导指令并且能最大限度利用气动舵面以减少RCS燃料的消耗。      

多约束RLV快速再入轨迹规划

研究了一种多约束的重复使用运载器(RLV)三自由度快速再人轨迹规划方法.对于高超声速远程的情况,考虑地球旋转对轨迹规划的精度影响较显著,提出了完整的拟平衡条件;将RLV再入过程划分为两段:初始下降段和滑翔段.首先,将再入走廊转化为控制量的上下边界,在搜索满足航程的控制量时引入近似的纬度和航向角;其次,以终点航程横向偏差为依据迭代搜索改变倾侧方向的时刻;最后,提出航程修正的方法,进一步提高终端落点的精度.通过仿真验证了快速轨迹规划的有效性.     

TSTO运载器一级返场轨迹优化设计与在线生成

对水平起降两级入轨（TSTO）运载器一子级返场轨迹优化和轨迹在线生成问题进行了研究。首先，给出了较独特的一子级再入轨迹设计策略：先给定侧向剖面，再分段优化求解三维轨迹。针对返场过程的大幅转向需求，设计了形式简单的倾侧角-航向角偏差剖面，并定义了具有不同任务的航向转弯段和航向微调段；针对一子级宽速域气动变化显著特点，为避免轨迹跳跃，定义了增高减速段和下降滑翔段，并采用分段优化策略求解三维轨迹。其次，针对分离扰动造成的一子级初始状态偏差，扩展了自适应高维伪谱插值（AMPI）算法的参数空间，并将其应用于返场轨迹在线生成问题。仿真结果表明，设计的倾侧角剖面能够在倾侧角不翻转的前提下调整飞行航向对准着陆场，设计的分段优化策略能够保证高度曲线平稳无跳跃，采用的自适应高维伪谱插值算法能够在分离扰动影响下快速准确地实现在线轨迹生成。     

自主学习干扰观测器驱动的重复使用运载器再入段滑模控制

针对重复使用运载器(RLV)再入段的姿态控制问题，设计一种具有自主学习干扰观测器(SLDO)的滑模控制器。基于奇异摄动理论及时标分离原则，将RLV的姿态动力学方程划分为外环和内环子系统。根据RLV再入段模型不确定性和外部干扰均随时间变化、不可忽略且无法预知边界等特点，结合2型模糊神经结构、误差反馈学习架构以及滑模控制(SMC)理论，提出一种新型在线自主学习干扰观测器。设计基于SLDO驱动的多元超螺旋滑模控制器，完成对再入段姿态的跟踪。最后，针对6自由度RLV模型进行了仿真分析，仿真结果证明了控制方法的有效性以及鲁棒性。     

垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析

重复使用运载技术是降低单次发射成本、提高发射密度和减少残骸危害的有效手段,随着以Falcon 9系列为代表的垂直起降运载器的成功回收与重复使用,其在商业航天发射市场表现出了较强的竞争力,掀起了可重复使用运载器的研究新热潮。首先梳理了垂直起降可重复使用运载器的发展现状,然后结合垂直起降运载的任务特征分析了其关键技术,最后总结了垂直起降运载器的发展趋势。