拖曳式重复使用运载器飞行动力学

论文摘要

运载器的重复使用是未来航天运输发展的必然趋势，而重复使用运载器的发射方式多种多样，拖曳式空中发射就是其中的一种。 为了实现我国天地往返航天运输系统“快速、机动、廉价、可靠”的发展目标，国家高技术研究发展计划(863计划)对各种天地往返运输系统的发射方式进行了探索研究。在国家863计划的支持下，我们对拖曳式两级重复使用跨大气层飞行器概念及关键技术进行了专题研究，本论文的研究内容就是该专题的一部分。由于缺乏相应的参考资料，该项研究的困难极大。在国内，尚无他人开展此项工作；在国外，除了提出拖曳式空中发射RLV这个概念外，再也没有其他有价值的资料可以参考。所以，该项目和该论文的任何一项研究成果都是具有一定的创新性和探索性。 论文回顾和分析了国外，包括日本、欧洲、俄罗斯、印度，特别是美国的重复使用运载器的发展历史、现状，总结了世界未来重复使用运载器的发展趋势，分析了重复使用运载器空中发射方式的性能优势。简要阐述了如下3种空中发射方式：背负式发射、空中加油式发射和拖曳式发射，并对拖曳式空中发射的概念和优点进行了较为详细的介绍。根据拖曳式空中发射系统的特点，进行了系统的概念设计。通过对拖曳系统中拖缆细致而深入的研究，建立了多种拖缆的数学模型。依据拖曳系统的耦合特性和约束条件，建立了拖曳飞行动力学和运动学方程，提出了一种基于仿真的拖曳系统飞行性能计算方法。最后，在分析拖曳系统中飞行器的静稳定性之后，采用拖缆的“直线线性弹簧”模型，建立了拖曳系统的小扰动运动方程，并对系统中飞行器的动态特性和品质进行了初步计算、仿真和分析。论文所进行的创新性研究主要表现在以下几个方面： 1) 针对拖曳式空中发射重复使用运载器的技术指标要求及拖曳系统的特点，进行了拖曳式空中发射系统的概念设计，尤其是运载器的概念设计。 2) 针对拖曳系统的耦合特性和约束条件，对拖曳系统中的柔性体——拖缆进行了细致的研究，建立了拖缆的多种数学模型，包括：直线线性弹簧、刚化柔性悬索、弹簧柔性体、等距约束、刚化柔性体、完全柔性体等。其中“直线线性弹簧”模型和“刚化柔性悬索”模型在拖曳系统的仿真计算中得到了成功应用。 3) 从拖曳飞机、运载器运动方程和拖缆数学模型出发，建立了拖曳系统中三体相互耦合和约束的动力学和运动学方程。 4) 根据建立的拖曳系统动力学和相应的运动学方程，对拖曳系统中运载器在纵向平面内和水平面内的航迹控制进行了研究，达到使运载器跟随拖曳飞机的目的。 5) 基于仿真的方法，对拖曳系统的起飞性能和基本飞行性能进行了研究，以验证拖曳系统的飞行性能能否满足运载器发射的要求。所研究的拖曳系统起飞性能和基本飞行性能有：起飞滑跑距离、平飞最大速度、平飞最小速度、升限。 6) 采用拖缆的“直线线性弹簧”模型，建立了拖曳系统的小扰动运动方程，

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 RLV的发展历史、现状和发展趋势
• 1.2.1 国外 RLV的发展历史和现状
• 1.2.2 总体发展趋势
• 1.3 RLV的空中发射
• 1.3.1 RLV的空中发射简介
• 1.3.2 RLV空中发射的性能优势
• 1.3.3 RLV的空中发射方式
• 1.4 拖曳动力学概述
• 1.5 论文内容概览
• 第2章 拖曳式空中发射系统概念设计
• 2.1 拖曳飞机选型与性能参数
• 2.2 运载器方案设计
• 2.2.1 初步方案设计
• 2.2.2 运载器外形尺寸
• 2.2.3 运载能力校验
• 2.2.4 结果分析及讨论
• 2.3 小结
• 第3章 拖缆的数学模型
• 3.1 拖缆铰接点的几何关系
• 3.2 等距约束
• 3.3 直线线性弹簧
• 3.4 刚化柔性悬索
• 3.4.1 悬垂曲线悬索理论简介
• 3.4.2 悬索理论在拖曳系统的应用
• 3.5 弹簧柔性体
• 3.6 刚化柔性体
• 3.7 完全柔性体
• 3.8 小结
• 第4章 拖曳系统动力学
• 4.1 坐标系及坐标变换
• 4.1.1 坐标系的定义
• 4.1.2 坐标变换
• 4.2 飞行器所受的作用力及力矩
• 4.3 拖曳飞机运动方程
• 4.3.1 拖曳飞机质心在航迹坐标系和地面坐标系中的运动方程
• 4.3.2 拖曳飞机在机体坐标系和地面坐标系中的运动方程
• 4.3.3 拖曳飞机在航迹坐标系和地面坐标系中的运动方程
• 4.4 运载器运动方程
• 4.5 几何关系方程
• 4.6 小结
• 第5章 运载器航迹控制
• 5.1 拖曳系统飞行过程描述
• 5.2 纵向平面内的航迹控制
• 5.3 水平面内的航迹控制
• 5.4 算例
• 5.4.1 纵向运动
• 5.4.2 水平盘旋
• 5.5 结论
• 第6章 拖曳系统飞行性能研究
• 6.1 起飞性能
• 6.1.1 计算方法及参数设置
• 6.1.2 计算结果
• 6.1.3 结论
• 6.2 基本平飞性能
• 6.2.1 最大平飞速度
• 6.2.2 最小平飞速度
• 6.2.3 升限
• 6.2.4 飞行包线
• 6.2.5 计算方法
• 6.2.6 计算条件以及计算结果
• 6.2.7 结论
• 第7章 拖曳系统稳定性分析
• 7.1 拖曳系统静稳定性
• 7.1.1 运载器静稳定性
• 7.1.2 拖曳飞机静稳定性
• 7.2 拖曳系统动稳定性
• 7.2.1 运动方程组的线化
• 7.2.2 扰动运动方程组纵向和横航向分离
• 7.2.3 扰动运动的模态和模态特性参数
• 7.2.4 运载器纵向动稳定性
• 7.2.5 拖曳系统纵向动稳定性
• 7.2.6 结论
• 第8章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间发表论文
• 博士期间参与科研课题情况