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。     

跨大气层飞行器再入段RCS控制特性

以航天飞机为例．论述了跨火气层飞行器反推力控制系统（Reaction Control System，RCS）的工作原理，并给出了RCS推进器的控制模型。同时分析了RCS在回路中的各种工作模式和多推进器的系统冗余及其组合方式。最后在对RCS系统操作的基础上，研究了航天飞机在再人段飞行时的RCS控制问题。     

组合导航技术在可重复使用运载器再入段的应用研究

结合国内外可重复使用运载器的发展现状及各导航方法的特点,根据飞行器再入飞行段动力学方程,建立再入段飞行轨道并提出适用于再入飞行其各段的导航方法。对再入飞行中的末端能量管理段进行全面研究,设计并进行INS和INS/SAR导航滤波计算机仿真,并对仿真结果进行了误差分析。     

可重复使用运载器再入轨迹与制导控制方法综述

可重复使用运载器（RLV）是未来实现快速、可靠及廉价进出空间的必然趋势,也是当前航空航天领域的研究热点。对RLV再入段的轨迹优化、制导及控制方法进行了综述。在RLV再入轨迹优化方法上,分别从间接法、直接法以及伪谱法等方面进行了综述,在深入分析每类方法特点的基础上,对其未来发展趋势进行了展望;在RLV再入制导方法上,分别从离线标称轨迹制导、在线轨迹重构制导、预测校正制导等方面进行了综述,对每类再入制导方法进行了优缺点分析,并对未来发展方向进行了总结;在RLV再入姿态控制方法上,分别从线性控制方法、非线性控制方法、智能控制方法等方面对其进行了综述,并对其特点和未来发展趋势进行了分析。最后,对RLV再入制导控制一体化方法进行了综述,指出了未来RLV制导控制一体化研究中亟需解决的关键问题。     

负升力返回时航天器的再入走廓与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廓与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加，离轨点所耗燃料质量怀热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少，由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

负升力返回时航天器的再入走廊与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廊与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走廊前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加；离轨点所耗燃料质量与热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少。由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

航天器的再入走廊及其计算方法

首先定义了航天器的再入走廊,根据提出的一种新的Loh模型与再入走廊的定义,详细地推导出了再入走廊各边界的计算公式,并证明了两种侧向走廊的数学描述是等价的。计算了以美国航天飞机为模型的再入走廊。最后还对影响再入走廊宽度的因素(如再入初始参数、飞行器升阻比、飞行器表面的耐热材料,所能忍耐的动力学环境等)作了分析。     

基于反作用发动机推力的空天飞行器再入姿态飞行控制

研究了空天飞行器(ASV)再入跨大气层飞行时的姿态控制问题。在ASV跨大气层再入飞行时,通过反作用控制系统(RCS)中的反作用发动机推力产生控制力矩来控制ASV的姿态,以补偿气动舵面操纵失效或者部分失效而引起的控制力矩不足;随着空气密度的增加,气动舵面逐步介入控制系统,RCS随之逐步退出.由于快回路控制器产生进行姿态控制所需要的控制力矩,其通过相应的控制分配将控制力矩映射到作动器,为了减轻作动器的抖振,提出了利用基于区域模型的T-S模糊多模型控制方法设计快回路控制器,在跟踪期望角速度的同时,柔化控制信号.最后通过仿真验证了所提方法的有效性.      

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。     

航天器再入制导方法研究现状与发展评述

介绍了国内外航天器再入制导方法领域研究的近期进展,分标准轨道制导法和预测-校正制导法详细剖析了各种再入制导律的设计思路与研究框架,指出了自主性、自适应性和鲁棒性、并且能够适应多任务的新型再入制导方法是目前的研究热点和发展方向。     

基于改进定点二乘的重复使用助推飞行器控制分配研究

为适应重复使用助推飞行器(RBV)控制精度和控制可靠性等要求,导致多异类执行机构数量的急剧增加,而各执行机构偏转角、偏转角速率和非连续工作方式的限制影响控制效果。为满足该类飞行器控制系统实时性和控制精度等需求,需要研究计算精度、计算效率更高的控制分配(CA)方法。根据每次迭代所需的浮点运算量,在比较基于二次规划的控制分配算法计算效率的基础上,首先,利用最小代价函数关系将传统定点(FP)二乘优化算法转化为二次规划问题,并给出传统定点二乘优化方法最优解应满足的条件;然后,针对执行机构饱和情况,提出了改进定点(IFP)二乘的控制分配算法以提高计算效率,同时给予详细的推导证明,并基于迭代常数映射的特性,以相邻时刻控制量差的范数达到相关要求给出改进算法的迭代终止条件;最后,基于多种控制分配算法,对所提出的控制分配算法进行了比较仿真,验证该算法的有效性和合理性。     

重复使用天地往返运载器飞行弹道计算研究

介绍了应用于吸气式重复使用天地往返运载器的RBCC动力,根据动力学和运动学方程及地球物理方程式,利用数值积分方法,计算并比较了采用RBCC动力水平起飞、垂直起飞及纯火箭动力垂直起飞的运载器飞行弹道。计算结果表明,相比于纯火箭动力,RBCC动力有效地降低了运载器的燃料消耗量,但热环境明显要恶劣。     

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。     

Integrated Entry Guidance for Reusable Launch Vehicle

A method for the implementation of integrated three-degree-of-freedom constrained entry guidance for reusable launch vehicle is presented. Given any feasible entry conditions, terminal area energy management interface conditions, and the reference trajectory generated onboard then, the method can generate a longitudinal guidance profile rapidly, featuring linear quadratic regular method and a proportional-integral-derivative tracking law with time-varying gains, which satisfies all the entry corridor constraints and meets the requirements with high precision. Afterwards, by utilizing special features of crossrange parameter, establishing bank-reversal corridor, and determining bank-reversals according to dynamically adjusted method, the algorithm enables the lateral entry guidance system to fly a wide range of missions and provides reliable and good performance in the presence of significant aerodynamic modeling uncertainty. Fast trajectory guidance profiles and simulations with a reusable launch vehicle model for various missions and aerodynamic uncertain-ties are presented to demonstrate the capacity and reliability of this method.     

基于非线性动态逆的SRLV再入段控制律设计

基于非线性动态逆理论,设计了亚轨道可重复使用运载器(SRLV)的再入控制律.首先,分析了SRLV再入段的数学模型,并给出了反作用推力控制系统(RCS)的控制模型;其次,将非线性动态逆方法与时标分离原则相结合,考虑飞行器姿态控制系统的外环角回路的慢变特性和内环角速度回路的快变特性,独立设计了两个回路的控制律;最后,为了增强系统的鲁棒性,分别在两个回路中引入了比例-积分反馈,有效地抑制了干扰力、力矩和非线性对消带来的逆误差.仿真结果表明,设计的控制律对SRLV再入段具有很好的控制效果.     

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.     

基于径向基神经网络干扰观测器的空天飞行器自适应轨迹线性化控制

 研究了一种自适应轨迹线性化控制策略并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计。通过理论分析指明当前轨迹线性化控制方法(TLC)对系统中的不确定存在鲁棒性不足的问题。为了解决这一问题,首先研究了一种径向基神经网络干扰观测器(RDO)技术,严格证明了RDO对于系统中不确定因素具有良好的逼近能力。然后利用RDO输出得到一种新的基于RDO的自适应TLC控制策略。神经网络自适应律采用Lyapunov方法设计,保证了闭环系统所有信号有界。最后采用新方案实现了ASV飞控系统,仿真结果表明整个闭环系统在鲁棒性能方面得到很大提高。     

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。