升力式再入飞行器再入制导与末端能量管理研究

论文摘要

本文跟踪升力式再入飞行器的研究进展,以工程应用为目标,对升力式再入飞行器的最新发展、再入制导方法和末端能量管理(Terminal Area Energy Management,TAEM)方法进行研究。针对新一代升力式再入飞行器的发展特点,详细调研了目前世界各军事航天强国发展的多种升力式可重复使用飞行器和升力式再入打击飞行器,并分析了其关键技术和未来发展趋势。以研究升力式飞行器再入飞行特性为研究目的,考虑地球自转和扁率的影响,建立了升力式飞行器的再入动力学模型。在此基础上,参考现有航天飞机和飞船返回舱的再入驻点热流、过载、动压和控制等方面的约束,计算了给定升力式飞行器的再入走廊。为了给出适应新一代升力式再入飞行器的再入制导方法,详细分析了目前最为适用的航天飞机再入制导方法。针对航天飞机再入制导方法的缺点,目前再入制导发展的主要方向是在线轨迹规划技术,以提高飞行器返回时的安全性和任务适应性。本文在参考多种再入制导方法的基础上,设计改进的加速度制导方法中的轨迹规划算法来在线生成参考轨迹,并采用了航天飞机再入制导的轨迹跟踪算法进行仿真验证,仿真结果检验了方法的有效性。为了实现升力式飞行器再入飞行后安全准确地降落在指定的机场跑道,末端能量管理段制导是关键。在参考航天飞机TAEM轨迹规划方法的基础上,将TAEM段轨迹的规划问题转化为由四个几何参数确定的轨迹优化问题,在给出的性能指标下,通过优化算法得到了可行的TAEM段优化轨迹。最后用设计的TAEM段轨迹跟踪算法对参考轨迹进行了仿真验证,仿真结果表明了本文TAEM制导方法的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 升力式再入飞行器研究现状分析
• 1.2.2 再入制导研究现状分析
• 1.2.3 末端能量管理研究现状分析
• 1.3 本文完成的主要工作
• 第2章 升力式再入飞行器再入动力学模型建立
• 2.1 坐标系定义
• 2.2 坐标系间的转换
• 2.3 大气模型
• 2.4 完整模型的建立
• 2.4.1 相对速度V 在位置坐标系上的表示
• 2.4.2 推力在位置坐标系上的表示
• 2.4.3 空气动力在位置坐标系上的表示
• 2.4.4 引力在位置坐标系上的表示
• 2.4.5 附加力在位置坐标系上的表示
• 2.4.6 运动模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 再入制导基本原理
• 3.1 航天飞机再入制导
• 3.1.1 参考阻力加速度剖面设计
• 3.1.2 剩余航程预测
• 3.1.3 制导指令生成
• 3.1.4 参数计算
• 3.2 再入走廊计算
• 3.2.1 法向过载约束
• 3.2.2 动压约束
• 3.2.3 最大热流约束
• 3.2.4 平衡滑翔边界
• 3.3 改进的加速度制导
• 3.3.1 以能量为自变量的运动模型建立
• 3.3.2 弹道规划算法
• 3.3.3 弹道跟踪算法
• 3.3.4 算法流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 再入制导仿真及结果分析
• 4.1 升力式飞行器再入飞行约束
• 4.2 再入走廊计算
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 末端能量管理
• 5.1 末端能量管理段动力学模型
• 5.2 航天飞机末端能量管理方法
• 5.2.1 航天飞机TAEM纵向制导
• 5.2.2 航天飞机TAEM侧向制导
• 5.3 改进的TAEM制导
• 5.3.1 轨迹规划
• 5.3.2 制导指令生成
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢