[發明專利]一種無動力飛行器的進場著陸軌跡的設計方法

有效

• 申請號: 201410367548.X
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104281153B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 郝現偉;楊業;郭濤;王勇;劉茜筠
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;北京航天自動控制研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05B13/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 趙文穎

技術領域

本發明屬于飛行器飛行控制領域，具體地說是指一種無動力飛行器的進場著陸軌跡的優化設計方法。

背景技術

無動力飛行器的著陸控制技術在航天、航空領域都是一種關鍵性技術。航天領域，航天飛機及未來的空天飛機由繞軌道飛行返回地球的飛行過程為無動力飛行過程。航空領域，由于發動機出現故障而使得有人機或無人機失去動力的飛行過程也為無動力飛行過程。如何確保飛行器在無動力情況下能安全著陸是飛行控制領域的重要研究課題。

對于無動力飛行器，進場著陸過程是最為復雜的一個環節。該過程飛行器在飛行控制系統的作用下，需精確跟蹤高度給定指令，沿著預先設計的著陸軌跡飛行，保證接地時各飛機相關參數均滿足接地性能指標。由于著陸全程為無動力飛行過程，飛行器不能復飛，那么如何合理地利用現有的能量，保證飛行器可以在給定的最惡劣風干擾環境下仍能安全著陸，這與飛行控制系統的優劣直接相關。又由于飛行控制系統是基于給定的著陸軌跡進行設計，因此如何設計理想的進場著陸軌跡，對無動力飛行器能否安全著陸起到至關重要的作用。

無動力飛行器的進場著陸過程可劃分為深下滑段、拉平段和地面滑跑段，如圖1所示，其中深下滑段的著陸軌跡為一條斜線，拉平段的著陸軌跡由圓弧拉起軌跡、指數拉起軌跡及淺下滑軌跡組成。在深下滑段，飛行器以恒定的動壓沿著固定的軌跡傾角下滑，稱該過程為擬平衡飛行過程。對于空天飛機，由于該類飛行器的升阻比較小，滑翔性能差，因此深下滑軌跡傾角較大，通常在16°～22°之間。為保證飛行器接地前具有較小的升降速度，需使飛行器接地時具有較小的軌跡傾角。在拉平段，設計圓弧拉起軌跡、指數拉起軌跡和淺下滑軌跡，其中圓弧拉起軌跡的作用是逐步減小軌跡傾角，使深下滑段的軌跡傾角逐漸過渡到淺下滑段的軌跡傾角，但是圓弧拉起段與淺下滑段之間的法向加速度并不連續，因此通過引入指數拉起軌跡來達到平滑過渡的目的。

通常飛行器起落架的放下過程在進場著陸段完成。由于飛行器起落架放下過程的氣動數據具有較大的不確定性，這對飛行控制系統的控制性能具有較大的影響，為避免起落架放下過程的氣動數據對著陸安全性能帶來過大的影響，選在深下滑階段的某個高度開始放下起落架，在飛行器進入拉平段之前，確保起落架已完全放下并達到新的平衡狀態。起落架放下過程中，深下滑軌跡傾角不變，但飛行器動壓需在阻力板通道控制律的作用下調整到新的平衡動壓。

國內外學者對于著陸軌跡的設計問題也做了相關研究。中國學者Liu對有動力輪式起降無人機的著陸軌跡設計問題進行了研究，但其設計方法對于無動力著陸的飛行器并不適用。美國學者Gregg和Steven針對X-34的著陸軌跡設計進行了研究，但是在進行深下滑段著陸軌跡設計時，并沒有考慮飛行器所受的氣動力矩，在進行拉平段著陸軌跡設計時，也沒有考慮各氣動舵面對著陸軌跡的影響，再者在整個著陸軌跡設計過程中，也沒有考慮起落架放下過程對著陸軌跡的影響。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種無動力飛行器的進場著陸軌跡的設計方法。根據飛行器所受的氣動力和力矩，建立深下滑擬平衡條件，采用優化算法設計深下滑著陸軌跡，并在此基礎上設計拉平著陸軌跡。在設計拉平著陸軌跡時，首先假設已知拉平起始點高度，并根據飛行器的氣動特性及接地指標要求，確定圓弧軌跡過載、淺下滑軌跡傾角及淺下滑起始點高度，然后利用幾何關系推導出軌跡中的其它軌跡參數與圓弧軌跡結束點的軌跡傾角的關系式，之后再求解出圓弧軌跡結束點的軌跡傾角，最終設計出拉平著陸軌跡。為設計出理想的拉平著陸軌跡，需通過優化算法尋找合適的拉平起始點高度，沿該著陸軌跡進行軌跡推演，使得接地動壓為理想接地動壓。深下滑著陸軌跡和理想的拉平著陸軌跡構成最優進場著陸軌跡。

一種無動力飛行器的進場著陸軌跡的設計方法，具體實施步驟如下：

步驟一：建立無動力飛行器的縱向運動方程；

步驟二：建立深下滑擬平衡條件；

步驟三：設計深下滑段著陸軌跡；

步驟四：設計拉平段著陸軌跡；

步驟五：對拉平段著陸軌跡進行軌跡推演；

步驟六：估算理想接地動壓；

步驟七：優化設計拉平段著陸軌跡；

步驟八：最優進場著陸軌跡；

本發明的優點在于：

(1)深下滑著陸軌跡設計過程中，考慮了飛行器所受的氣動力矩，建立了擬平衡非線性方程組，采用優化算法進行軌跡設計，提高了迎角的安全裕度及各氣動舵面的操縱裕度；

(2)拉平著陸軌跡設計過程中，考慮了各氣動舵面對著陸軌跡的影響，降低了順逆風干擾對飛行器接地狀態的影響；