升力式天地往返飛行器自主制導(dǎo)方法研究.pdf

1、類似于美國(guó)X-37B的垂直起飛水平著陸的多級(jí)入軌升力式天地往返飛行器是現(xiàn)階段各國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)?？臻g應(yīng)用對(duì)其提出了自主性、安全性和可靠性的要求,飛行器必須在飛行條件變化、飛行故障時(shí),仍然有能力精確入軌或安全著陸到指定的區(qū)域,這就要求飛行器的制導(dǎo)技術(shù)必須具有極強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。本文以X-37B升力式天地往返飛行器為背景,重點(diǎn)研究了其上升段和再入段自主制導(dǎo)方法。
　　當(dāng)前飛行器大氣層內(nèi)上升段的制導(dǎo)均采用開(kāi)環(huán)的制導(dǎo)模式,任意任務(wù)和系

2、統(tǒng)參數(shù)的改變都需要重新規(guī)劃一條最優(yōu)的軌跡,飛行器大氣層內(nèi)制導(dǎo)技術(shù)關(guān)鍵是解決最優(yōu)軌跡快速生成問(wèn)題。直接法對(duì)初值敏感,求解速度較慢,間接法求解速度較快,精度較高,但對(duì)過(guò)程約束的處理較為困難。本文利用間接法,結(jié)合無(wú)過(guò)程約束下大氣層內(nèi)上升段最優(yōu)軌跡的半解析表達(dá)式,構(gòu)造了一種雙重迭代算法,采用密度同倫的方法逐漸引入大氣的影響,獲得無(wú)過(guò)程約束下大氣層內(nèi)上升段最優(yōu)軌跡,而后將該值作為初值,再采用直接法進(jìn)行求解,最終獲得有過(guò)程約束下大氣層內(nèi)上升段最優(yōu)軌

3、跡。
　　基于標(biāo)準(zhǔn)軌跡的攝動(dòng)制導(dǎo)方法制導(dǎo)精度較低、自主性較差,傳統(tǒng)的迭代制導(dǎo)基于小偏航角假設(shè)對(duì)大偏航角的任務(wù)不能適應(yīng)。本文提出了三種具有不同迭代模式的適用于大姿態(tài)角范圍的自主迭代制導(dǎo)方法,并推導(dǎo)了其雅可比矩陣的解析式。對(duì)三種迭代制導(dǎo)方法進(jìn)行了比較分析,對(duì)性能較好的內(nèi)更新迭代模式的迭代制導(dǎo)方法的制導(dǎo)精度進(jìn)行了仿真分析,表明該方法能夠適用于天地往返飛行器大氣層外大姿態(tài)角范圍的高精度自主制導(dǎo)。
　　再入軌跡優(yōu)化分析是再入制導(dǎo)設(shè)計(jì)的

4、基礎(chǔ)。序列梯度-修復(fù)算法是求解最優(yōu)控制問(wèn)題的間接法,采用統(tǒng)一的最優(yōu)性條件,減少了推導(dǎo)伴隨方程與橫截條件等過(guò)程的復(fù)雜和繁瑣,便于模塊化實(shí)現(xiàn),對(duì)初值不敏感。本文研究了序列梯度-修復(fù)算法在升力式天地往返飛行器再入軌跡優(yōu)化中的應(yīng)用,給出了再入軌跡優(yōu)化中控制量約束、過(guò)程約束的轉(zhuǎn)化過(guò)程,同時(shí)結(jié)合再入運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的強(qiáng)非線性,引入了狀態(tài)積分,改進(jìn)了算法的更新方法。對(duì)改進(jìn)的算法在升力式天地往返飛行器擬平滑再入軌跡優(yōu)化中的實(shí)用性進(jìn)行了比較分析,驗(yàn)證了改進(jìn)的

5、算法在收斂速度和優(yōu)化效果上較原始算法有明顯提升,能在較短的時(shí)間內(nèi)獲得一條滿足過(guò)程約束和末端約束的升力式天地往返飛行器擬平滑再入軌跡。分析了飛行器平滑軌跡和跳躍軌跡的覆蓋能力,相比平滑軌跡,跳躍軌跡能顯著提高最大縱程,其法向過(guò)載、動(dòng)壓和駐點(diǎn)熱流的值相對(duì)較小,因此對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防熱的要求相對(duì)較低,但是跳躍軌跡對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高,對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性和穩(wěn)定性也提出了較高的要求。
　　以阻力加速度剖面為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),開(kāi)展升力式天地往返飛