吸气式重复使用运载器弹道仿真研究

在对国内外吸气式可重复运载器的发展现状进行了分析后,建立了吸气式重复使用运载器动力学模型、地球模型以及大气模型等数学模型;建立了空天飞行器的弹道仿真系统。并以某吸气式重复使用运载器为研究对象,利用MATLAB编写程序,进行了飞行弹道的模拟仿真。仿真试验表明,计算方法及相应的仿真系统是合理可行的,可应用于吸气式重复使用运载器可行性的评价。     

吸气式重复使用运载器设计初步研究

分析了国内外吸气式可重复使用天地往返运载器的研究现状,在此基础上提出了一个水平起飞和着陆的单级吸气式运载器方案.采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对该方案气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析,由结果可见建立的气动布局可以满足总体方案设想中飞行任务的要求.对该方案拟采用的火箭基组合循环发动机(RBCC)进行了详细分析和性能计算,并在此基础上对该方案的飞行弹道进行了计算分析,通过与采用纯火箭发动机动力的天地往返运载器的飞行弹道对比表明,该方案能明显减小运载器的燃料消耗.     

磁控热防护系统在天地往返运载器上的应用仿真

磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制方程组,搭建了高超声速磁控热防护数值模拟平台。结合美国航天飞机"哥伦比亚"号（OV-102）近似外形和5种磁场配置方案,较为系统地开展了磁控热防护系统在高超声速"滑翔返回式"天地往返运载器上的应用仿真研究。结果表明：搭建的磁控热防护仿真平台具备偶极子磁场、均匀磁场、螺线管磁场及多个磁场组合条件下复杂外形飞行器气动热环境数值模拟能力,其校验结果与文献或飞行试验数据符合较好;采用合适的磁场配置能有效降低航天飞机的表面热流,显著改善了航天飞机的气动热环境,典型状态的表面热流下降25%以上;局部磁场方向与流动方向的夹角,在一定程度上决定了洛伦兹力的强度和方向,对磁控效果的影响明显。     

可重复使用运载器技术发展研究

回顾了航天运载系统的发展，分析了国外20世纪80～90年代多个空天飞机研究项目的特点，但是由于航天推进系统论证工作的迅速发展，这些曾经被一些空间大国列为国家计划的先进的吸气式推进系统(如英国的HOTOL、美国的NASP、德国的SANGER等方案)相继变得不合适，低成本、可重复使用运载器受到了美国及欧空局的重视，并有希望成为下代的运载器系统方案。     

可重复使用运载器磁悬浮助推发射参数研究

针对磁悬浮助推水平起飞运载器这种新型发射概念,采用概念性分析方法,研究地面发射参数对可重复使用运载器性能的影响规律。结果表明,助推发射水平起飞运载器在降低初始推重比、推进剂和结构质量等方面具有优势,最后得出地面发射参数的一组优化值。     

可重复使用运载器预测-校正再入制导研究

研究了可重复使用运载器的预测-校正再入制导方案。通过对运动方程积分预测飞行器在能量管理段界面处的终端状态,实时调整迎角和倾侧角方案,以使终端状态误差满足要求。对预测-校正算法的实时性问题进行了分析,并给出了解决方案。仿真结果表明,对于不同的初始再入条件,制导方案都可以将飞行器导引到能量管理段界面。     

可重复使用运载器结构重量估算方法研究

对可重复使用运载器总体参数统计数据进行回归分析,得到了可重复使用运载器结构重量估算公式,并以某可重复使用运载器为例进行了验算,结果验证了结构重量评估公式的合理性和可用性;通过定义无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子,使各总体设计参数的敏感性可进行对比评价,并以此分析了可重复使用运载器结构重量估算公式对单个总体设计参数的敏感度,总结出可重复使用运载器结构重量随总体参数变化的规律。其结构重量估算公式对我国未来可重复使用运载器的设计具有直接参考价值。     

可重复使用运载器连续推力轨迹回转机动方法研究

针对可重复使用运载器(RLV)原场返回过程中所面临的轨迹回转问题,提出了一种在亚轨道高度进行姿态调整并使飞行轨迹回转、指向发射场方向的机动方法.在RLV与上面级分离之后,利用RLV自身推力抵消背离发射场速度,最终使RLV飞行方向指向发射场并进入再入返回阶段.采用连续推力方案,利用最优控制理论推导得出满足轨迹回转终端要求的机动指令.仿真结果表明,该方法能够实现RLV与上面级分离后轨迹迅速回转,可为之后的返回原发射场提供保障.     

考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时,需要进行轨迹和控制的重构,故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响,通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合,提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。仿真结果表明,多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件,从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性,并为制导与控制一体化设计提供参考依据。     

重复使用运载器基于轨迹线性化的俯仰角控制

为了改善重复使用运载器末端区域能量管理段的控制系统性能,提出了一种基于轨迹线性化的俯仰角控制回路结构,该结构由伪逆模型前馈和反馈控制组成.根据瞬时平衡的定义,沿轨迹剖面线性化,获得了伪逆模型的设计方法,形成俯仰控制结构.以高空超声速飞行为例,进行了俯仰角控制设计,并与常规反馈控制相比较.结果表明,基于轨迹线性化的俯仰角控制,可以改善控制系统的动态性能,减小反馈回路的负担,降低积分饱和的可能性.      

可重复使用航天器反作用力控制系统控制方法

可重复使用航天器(RLV)再入过程初期,反作用力控制系统(RCS)是其姿态控制的主要手段,优化RCS控制方法可以降低RCS总冲需求并提高系统动态响应,以提高航天器的任务载荷和任务可靠性。以某跨大气层飞行器RCS为研究对象,给出了RCS模型和3种RCS控制方法,并进行仿真计算分析3种方法在完成特定飞行任务时的姿态控制效果及总冲需求。仿真结果表明:3种方法均能完成飞行器姿态控制,并各有其优缺点。本文的研究将为RLV飞行控制系统控制率设计提供有效参考。     

RBCC飞行器爬升段轨迹设计方法

 火箭基组合循环（RBCC）的发动机推力与飞行轨迹相互影响,导致飞行器轨迹设计与发动机性能分析存在耦合作用。对RBCC飞行器爬升段的轨迹设计方法进行研究,提出了基于马赫数-动压参考曲线的轨迹设计方法。对非均匀有理B样条(NURBS)曲线进行了定义补充,以用于描述具有任意形状的马赫数-动压参考曲线,并对参考曲线的各控制参数选取方法进行了研究;建立了基于二分法求解迎角并实现轨迹方程求解的算法流程。利用提出的轨迹设计方法对空中载机发射的RBCC飞行器进行了爬升段轨迹设计与分析,计算结果表明：(1)马赫数-动压参考曲线法考虑了发动机性能与飞行轨迹的耦合作用,能够适用于RBCC飞行器爬升段的轨迹设计;(2)引射模态低速段（Ma<2.0）消耗的推进剂质量超过爬升段的50%以上,是发动机性能优化的关键;(3)引射模态推进剂流量最大值与最小值之比达到了6.3;(4)当飞行马赫数达到1.7后引射模态下的来流空气冲压作用超过了一次火箭的引射作用,在保证空气捕获方面占主导地位。     

RBCC-RKT两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法

针对火箭基组合循环（RBCC）发动机比冲和推进剂质量流量随飞行条件改变而不断变化的特点,提出了通过增广拉格朗日遗传算法优化飞行器飞行轨迹的方法,在飞行器气动参数和发动机比冲已知、最大飞行动压给定等条件下,进行了火箭基组合循环发动机-液体火箭（RKT）发动机推进的水平起飞两级入轨（TSTO）飞行器飞行轨迹优化计算。研究结果表明：在飞行俯仰角和发动机推进剂质量流量变化范围已知的情况下,利用该方法能够在较好满足给定约束条件的情况下,优化得到飞行俯仰角和发动机流量随时间的变化关系,为飞行轨迹初步设计提供参考。     

可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

针对当前可重复使用飞行器的发展现状,总结了其特点、优势和发展趋势.通过飞行任务,分析了可重复使用飞行器所面临的复杂环境特性和飞行控制特性.从飞行控制角度出发,概括了可重复使用飞行器导航制导控制所面临的技术挑战,包括高精度导航技术、多约束航迹优化技术、再入段和能量管理段的制导技术以及强耦合强不确定强鲁棒姿态控制技术等.最后,针对技术挑战,对可重复使用飞行器导航制导控制技术提出了若干建议.