拖曳式重復(fù)使用運(yùn)載器飛行動(dòng)力學(xué).pdf

1、運(yùn)載器的重復(fù)使用是未來(lái)航天運(yùn)輸發(fā)展的必然趨勢(shì)，而重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)射方式多種多樣，拖曳式空中發(fā)射就是其中的一種。 為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)天地往返航天運(yùn)輸系統(tǒng)“快速、機(jī)動(dòng)、廉價(jià)、可靠”的發(fā)展目標(biāo)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)對(duì)各種天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)射方式進(jìn)行了探索研究。在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，我們對(duì)拖曳式兩級(jí)重復(fù)使用跨大氣層飛行器概念及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)題研究，本論文的研究?jī)?nèi)容就是該專(zhuān)題的一部分。由于缺乏相應(yīng)的參考資料，該項(xiàng)研究的

2、困難極大。在國(guó)內(nèi)，尚無(wú)他人開(kāi)展此項(xiàng)工作；在國(guó)外，除了提出拖曳式空中發(fā)射RLV這個(gè)概念外，再也沒(méi)有其他有價(jià)值的資料可以參考。所以，該項(xiàng)目和該論文的任何一項(xiàng)研究成果都是具有一定的創(chuàng)新性和探索性。 論文回顧和分析了國(guó)外，包括日本、歐洲、俄羅斯、印度，特別是美國(guó)的重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，總結(jié)了世界未來(lái)重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展趨勢(shì)，分析了重復(fù)使用運(yùn)載器空中發(fā)射方式的性能優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)要闡述了如下3種空中發(fā)射方式：背負(fù)式發(fā)射、空中加油式發(fā)射和

3、拖曳式發(fā)射，并對(duì)拖曳式空中發(fā)射的概念和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。根據(jù)拖曳式空中發(fā)射系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)拖曳系統(tǒng)中拖纜細(xì)致而深入的研究，建立了多種拖纜的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)拖曳系統(tǒng)的耦合特性和約束條件，建立了拖曳飛行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，提出了一種基于仿真的拖曳系統(tǒng)飛行性能計(jì)算方法。最后，在分析拖曳系統(tǒng)中飛行器的靜穩(wěn)定性之后，采用拖纜的“直線線性彈簧”模型，建立了拖曳系統(tǒng)的小擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，并對(duì)系統(tǒng)中飛行器的動(dòng)態(tài)特性和品質(zhì)進(jìn)行了

4、初步計(jì)算、仿真和分析。論文所進(jìn)行的創(chuàng)新性研究主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1)針對(duì)拖曳式空中發(fā)射重復(fù)使用運(yùn)載器的技術(shù)指標(biāo)要求及拖曳系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行了拖曳式空中發(fā)射系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，尤其是運(yùn)載器的概念設(shè)計(jì)。 2)針對(duì)拖曳系統(tǒng)的耦合特性和約束條件，對(duì)拖曳系統(tǒng)中的柔性體——拖纜進(jìn)行了細(xì)致的研究，建立了拖纜的多種數(shù)學(xué)模型，包括：直線線性彈簧、剛化柔性懸索、彈簧柔性體、等距約束、剛化柔性體、完全柔性體等。其中“直線線性彈簧”模型和“剛化

5、柔性懸索”模型在拖曳系統(tǒng)的仿真計(jì)算中得到了成功應(yīng)用。 3)從拖曳飛機(jī)、運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)方程和拖纜數(shù)學(xué)模型出發(fā)，建立了拖曳系統(tǒng)中三體相互耦合和約束的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。 4)根據(jù)建立的拖曳系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)拖曳系統(tǒng)中運(yùn)載器在縱向平面內(nèi)和水平面內(nèi)的航跡控制進(jìn)行了研究，達(dá)到使運(yùn)載器跟隨拖曳飛機(jī)的目的。 5)基于仿真的方法，對(duì)拖曳系統(tǒng)的起飛性能和基本飛行性能進(jìn)行了研究，以驗(yàn)證拖曳系統(tǒng)的飛行性能能否滿足運(yùn)載器發(fā)射的

6、要求。所研究的拖曳系統(tǒng)起飛性能和基本飛行性能有：起飛滑跑距離、平飛最大速度、平飛最小速度、升限。 6)采用拖纜的“直線線性彈簧”模型，建立了拖曳系統(tǒng)的小擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，并對(duì)系統(tǒng)中飛行器的縱向動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算和仿真分析。結(jié)果表明，與獨(dú)立的飛行器相比，拖曳系統(tǒng)中的飛行器的動(dòng)穩(wěn)定性有所下降。要想拖曳系統(tǒng)中的飛行器具有良好的動(dòng)態(tài)特性，則必需針對(duì)拖曳系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)它們的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行必要的研究，使得它們的飛行控制系統(tǒng)不僅適合飛行器獨(dú)立飛