一种火箭基组合循环动力空天飞行器总体设计分析

针对将2 t有效载荷送入200 km低地圆轨道的任务需求,通过定性分析明确了水平起飞、两级入轨的运载模式,建立火箭基组合动力(RBCC)空天飞行器的任务剖面。考虑RBCC空天飞行器复杂的耦合关系,建立一套基于弹道优化的总体设计流程,并形成相应的基准方案。在基准性能基础上,分析分离点状态、气动性能和发动机性能的影响。结果表明:低空高马赫数分离能有效发挥RBCC发动机的优势,提升运载效率,但需解决高动压分离的问题;阻力、推力、比冲是影响RBCC飞行器的重要性能参数,在性能较差的引射段,推力的影响尤为明显。设计方法和参数分析结果可为未来的空天飞行器设计提供参考。     

基于微分进化算法的深空小推力轨道优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道优化设计问题,基于以太阳为主引力体的二体模型,采用电推进小推力系统,提出了将目标行星的探测方式、探测顺序、发射窗口同时进行全局优化的解决方案.依此建立小推力轨道优化设计算法模型,利用微分进化算法进行全局一体化优化设计,得出多目标多任务的一体化深空探测轨道.通过与相同条件下其他设计方法的结果比对分析得出：基于小推力推进方式并采用微分进化算法进行优化的轨道优化设计方案,在多目标多任务深空轨道一体化设计问题上具有可行性及应用价值.     

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。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

高阶扰动引力对自由段弹道影响的快速计算方法

针对扰动引力大小和方向随空间位置变化的特点,将自由段弹道按射程进行分段,动态建立北天东坐标系并计算高阶扰动引力加速度,将其天向分量等价为均质圆球质量偏差,并修正标准椭圆轨道方程;将扰动引力对北向和东向的影响近似为匀加速直线运动,推导出运动微分方程的解并在地心坐标系内对弹道飞行器的位置和绝对速度进行更新计算,从而提出了高阶扰动引力对自由段弹道影响的近似解析解计算方法。数值计算结果表明,该方法具有较高的计算精度,可用于弹道飞行器高精度实时制导和轨道预测等方面。     

理论解用于复杂构型飞行器气动阻力方法研究

针对现有的理论解方法尚不适用于复杂构型飞行器气动力求解的问题,从稀薄气体分子的动力学模型出发,制作等效平面以分析各部分来流的宏观特性,并将入射流和反射流作用分开进行考虑,从而计算出几种典型情况下的气动阻力值。后续验证表明,在分子-壁面间多次碰撞不显著时,此方法能够获得较准确的气动力结果。所提出的气动力计算方法对低轨道飞行器的气动力计算及气动构型优化等工作均具有一定的参考价值。     

天宫飞行器低轨控空气动力特性一体化建模与计算研究

对非规则板舱组合体天宫飞行器300~200 km低轨道飞行过程空气动力特性一体化计算建模,提出考虑复杂构型物面遮盖效应面元解析法与经修正的Boettcher/Legge非对称桥函数,发展基于三角形面元逼近复杂外形通用处理方法,建立适于天宫飞行器复杂物形处理与面元气动力系数计算规则;将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形,进行气动力当地化关联参数计算修正,建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行控制过程空气动力特性一体化快速算法与程序软件。对大尺度圆柱体外形与天宫飞行器300~200 km不同高度变轨飞行过程不同迎角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证,表明天宫飞行器在200 km以上低轨道飞行控制过程中所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化(8%~50%),证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数,误差累积巨大,需要采取防护措施,低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度最关键因素。     

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。     

空天飞行器直接力/气动力复合容错控制

考虑发生发动机推力损失故障的空天飞行器，针对直接力、气动力复合容错控制问题，设计一种基于自适应滑模的容错控制策略。首先，对于发生推力损失故障的摆动发动机，考虑X型安装的实际特点，对线性化后的俯仰通道控制模型进行故障等效，并采用自适应的方法对故障及干扰信息进行估计，综合利用舵面与发动机摆动角进行容错控制器设计。其次，考虑纵向容错控制对飞行器横侧向稳定性的影响，基于自适应反步的方法，利用方向舵与组合工作的左、右升降舵抵消干扰力矩的影响，保证横侧向的稳定。最后，基于李雅普诺夫稳定性理论，对所采用方法进行了分析，并通过仿真结果验证了所设计的复合容错控制方案的有效性。     

行星际小推力轨道Lambert解及应用

 为提高行星际小推力转移轨道初始设计精度,提出了基于N次逆多项式逼近的半解析Lambert算法,并基于该算法发展了一种转移轨道初始设计方法。首先,采用N次逆多项式近似小推力轨道形状,应用推力方向假设和位置速度边界条件推导出部分系数及推力大小解析式。接着,分析了飞行时间约束和轨道动力学约束下解的存在性,并给出了关键系数的可行域。然后,利用探测器质量消耗方程建立了Lambert问题求解模型并加以解决。最后,基于所提Lambert算法,通过对连续推力约束进行降维,提出一种求解多圈非固定时间的行星际小推力转移轨道初始设计方法。分别以固定和非固定时间转移任务为例对所提Lambert算法和初始轨道设计方法进行了数学仿真,数值结果表明：相比传统6阶方法,所提Lambert算法在目标轨道半长轴为5 AU时可减少速度增量需求36.63%;所提初始设计方法与最优化方法设计结果接近,可为转移轨道的精确设计提供可行的设计初值。     

小型固体运载火箭六自由度弹道仿真

针对控制系统采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展六自由度弹道仿真研究。给出侧喷流发动机安装模型和推力模型以及开关机控制规律,阐明气动力和气动力矩计算方法;并建立了固体发动机推力模型,以及完整的六自由度弹道动力学和运动学模型。仿真结果表明:建立的六自由度弹道仿真模型能正确反映运载火箭飞行特性;研究的固体运载火箭满足将300kg有效载荷送入200km太阳同步轨道的运载能力要求;姿态控制系统满足运载火箭姿态控制精度要求;侧喷流推进剂质量分配合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据。     

航天器燃耗最优轨道直接/间接混合法延拓求解

针对转移时间和始末状态固定的航天器燃耗最优轨道的求解,给出了一种延拓方法:以双脉冲轨道为初值,首先求解全程推进轨道,然后逐步增加推力幅值,应用直接/间接混合法依次求解所有推力幅值下的、满足包括开关函数在内的所有必要条件的转移轨道,包括连续和脉冲推力轨道。通过基于开关函数曲线变化趋势的开关序列预设方法,以及基于已有优化结果的延拓步长自适应方案,实现了延拓方法的自动运行。为实现该延拓方法,给出了适用于改进春分点根数模型的脉冲最优转移轨道主矢量必要条件,推导了无推力轨道段改进春分点根数协态变量状态转移矩阵。通过3个算例对延拓求解会遇到的不同情况进行了具体说明。延拓方法可以看作现有直接/间接混合法的进一步完善与拓展,延拓过程和结果有助于对燃耗最优轨道与系统参数之间的关联获得更为深刻的认识。     

Changing law of launching pitching angular velocity of rotating missile

In order to provide accurate launching pitching angular velocity（LPAV） for the exterior trajectory optimization design, multi-flexible body dynamics（MFBD） technology is presented to study the changing law of LPAV of the rotating missile based on spiral guideway. An MFBD virtual prototype model of the rotating missile launching system is built using multi-body dynamics modeling technology based on the built flexible body models of key components and the special force model.The built model is verified with the frequency spectrum analysis. With the flexible body contact theory and nonlinear theory of MFBD technology, the research is conducted on the influence of a series of factors on LPAV, such as launching angle change, clearance between launching canister and missile,thrust change, thrust eccentricity and mass eccentricity, etc. Through this research, some useful values of the key design parameters which are difficult to be measured in physical tests are obtained. Finally,a simplified mathematical model of the changing law of LPAV is presented through fitting virtual test results using the linear regression method and verified by physical flight tests. The research results have important significance for the exterior trajectory optimization design.     

基于二次点火的飞行器横向转移入轨弹道设计

为了解决航天器发射过程因发射场地的地理位置约束造成的入轨夹角问题,基于火箭上面级二次点火,对航天器横向转移零速度偏差入轨弹道进行了设计。对二次点火和变射面横向转移弹道进行了研究,根据横向转移弹道特点,为简化控制程序,分时序对火箭二级非连续点火纵横向飞行程序进行了设计;并分析横向转移入轨弹道各项约束条件,建立弹道优化模型。根据弹道设计模型,以某两级液体燃料运载火箭为研究对象,对二次点火横向转移入轨弹道进行优化仿真。结果表明:入轨时刻航天器位置偏差为0.391m,速度偏差为1.277m/s,速度偏差比二次点火固定射面入轨弹道减少了737.844m/s,满足零速度偏差入轨精度要求。      

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

Halo轨道转移及中途修正问题研究(英文)

This article addresses the design of the trajectory transferring from Earth to Halo orbit, and proposes a timing closed-loop strategy of correction maneuver during the transfer in the frame of circular restricted three body problem （CR3BP）. The relation between the Floquet multipliers and the magnitudes of Halo orbit is established, so that the suitable magnitude for the aerospace mission is chosen in terms of the stability of Halo orbit. The stable manifold is investigated from the Poincar6 mapping defined which is different from the previous researches, and six types of single-impulse transfer trajectories are attained from the geometry of the invariant manifolds. Based on one of the trajectories of indirect transfer which are ignored in the most of literatures, the stochastic control theory for imperfect information of the discrete linear stochastic system is applied to design the trajectory correction maneuver. The statistical dispersion analysis is performed by Monte-Carlo simulation,     

面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法

从前期高超声速飞行器基础理论以及关键技术的研究到现今的飞行试验可以看出,高超声速飞行器在总体设计阶段过晚考虑飞行器动力学特性和控制性能会给后期控制系统设计带来极大的困难。在对两类高超声速飞行器试飞与控制相关问题分析的基础上,提出了面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法,给出了面向控制的总体优化设计研究方法、思路和模块框架。     

动能拦截器助推段导引方案研究

针对大气层外高速飞行的目标, 提出了一种可用于动能拦截器助推段的导引方法.建立了拦截器和目标的运动模型, 在分析可拦截约束条件的基础上推导出转移轨道计算方法, 同时通过对拦截器可发射区域中的转移轨道优化得到满足约束条件的有效发射区域, 并以点火时刻待增速度为性能指标来寻优计算获得发射参数.仿真结果表明, 该方法能有效实现拦截器助推段的制导控制.