高超声速飞行器跳跃飞行轨道优化研究

论文摘要

高超声速飞行器是二十一世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向,在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用,因此对于飞行器飞行轨迹的优化显得尤其重要。为了加快我国航空航天事业的发展,提出了高超声速飞行器的初步设计方案,在轨道方案设计上引用了跳跃飞行的概念。跳跃式轨道飞行概念是在大气层高速飞行器的发展过程中形成的。所谓跳跃式轨道飞行,是指飞行器经弹道式飞行并滑翔再入大气层后,在升力或火箭简短的推进作用下改变飞行轨道,作波浪形飞行,直至目的地上方。本文研究的主要内容包括:首先,建立了高超声速飞行器相应的环境模型,力与力矩模型,运动学与动力学模型。其次,对于高超声速飞行器总体技术进行了初步分析和研究,包括高超声速飞行器的实现方案、飞行方式、气动布局、发动机方案等等,分析了几种可以借鉴的高超声速飞行器的气动外形,并分析了各自的优势。然后,介绍了弹道优化的数值算法,研究了如何将最优控制问题转化参数优化问题,并在Matlab软件平台上基于序列二次规划法编写了一套轨道优化程序。最后,在所建立数学模型的基础上,以最大航程为优化目标,应用上诉优化程序对所设计的高超声速飞行器跳跃飞行轨道进行全弹道优化仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 高超声速飞行器研究现状及应用前景
• 1.2.1 研究现状
• 1.2.2 应用前景
• 1.3 高超声速飞行器实现方案
• 1.4 高超声速飞行器飞行方式
• 1.4.1 跳跃飞行
• 1.4.2 跳跃飞行的优越性
• 1.4.3 跳跃飞行的关键技术
• 1.5 本文内容与安排
• 第2章 高超声速飞行器总体技术
• 2.1 高超声速飞行器气动布局分类
• 2.1.1 锥形体
• 2.1.2 翼面融合体
• 2.1.3 升力体
• 2.1.4 乘波体
• 2.2 各种外形的气动特性比较分析
• 2.3 超燃冲压发动机
• 2.3.1 超燃冲压发动机概述
• 2.3.2 超燃冲压发动机的特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 高超声速飞行器动力学参数推算
• 3.1 几种常用的坐标系
• 3.2 环境模型
• 3.2.1 引力模型
• 3.2.2 大气模型
• 3.3 气动力、推力及火箭质量计算
• 3.3.1 气动力
• 3.3.2 发动机推力
• 3.3.3 飞行器质量计算
• 3.3.4 基本假设
• 3.4 高超声速飞行器纵平面弹道运动方程
• 3.5 本章小结
• 第4章 弹道优化问题数值解法
• 4.1 弹道优化算法概述
• 4.1.1 最优控制问题
• 4.1.2 间接法
• 4.1.3 直接法
• 4.2 最优控制问题转化为参数优化问题
• 4.3 优化策略和算法
• 4.3.1 转为参数优化问题
• 4.3.2 序列二次规划法
• 4.4 本章小结
• 第5章 高超声速跳跃轨道优化模型及仿真分析
• 5.1 轨道优化模型
• 5.1.1 优化问题的描述
• 5.1.2 轨道优化方案
• 5.1.3 目标函数
• 5.1.4 优化变量的选取
• 5.1.5 约束函数
• 5.1.6 优化模型
• 5.1.7 目标函数及特殊约束求解方法
• 5.1.8 优化程序流程
• 5.2 仿真分析
• 5.2.1 优化结果
• 5.2.2 优化结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢