[發明專利]一種高超聲速飛行器平穩滑翔再入彈道設計方法

有效

• 申請號: 201510028715.2
• 申請日: 2015-01-20
• 公開（公告）號: CN104656450B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 陳萬春;李靜琳;胡錦川
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術領域

本發明涉及一種高超聲速飛行器平穩滑翔再入彈道設計方法，屬于航空航天及武器技術領域。

背景技術

高超聲速飛行器是指飛行馬赫數大于或者等于5的飛行器，它具有飛行速度快、突防能力強、毀傷威力大、全球到達等明顯優勢，已經成為當今世界各國武器研制的熱點和焦點。

平衡滑翔指的是縱向受力近似平衡的一種飛行狀態。它是再入的一種重要飛行模式，具有高度變化平緩、熱流密度和動壓峰值小、攻角和傾側角曲線光滑等優點，被廣泛的應用于再入制導。但是由于再入彈道對控制變量高度敏感，在彈道優化時往往難以獲得平衡滑翔彈道；同時再入過程中的各種擾動也容易使得彈道偏離平衡滑翔狀態，出現彈道振蕩。因此，為了使高超聲速飛行器在再入過程中保持平衡滑翔，不僅需要獲得平衡滑翔參考彈道，還需在飛行過程中抑制擾動帶來的彈道振蕩。

發明內容

針對上述高超聲速飛行器平衡滑翔再入問題，提出了滿足縱向加速度變化率最小的平穩滑翔彈道概念，并給出平穩滑翔彈道的高度、彈道傾角、縱向加速的解析解和彈道動態特性分析，從而設計了一種控制平滑、彈道振蕩收斂速度快、魯棒性好的反饋控制方法。

本發明一種高超聲速飛行器平穩滑翔再入彈道設計方法，包括以下幾個步驟：

步驟1：動力學模型建立

假設地球為非旋轉均質圓球，建立再入縱向動力學方程，得到了再入飛行器的高度、速度、彈道傾角和射程對時間的一階導數；

步驟2：平穩滑翔彈道提出

以攻角α和傾側角σ為規劃變量進行彈道規劃，選取為目標函數，所獲得的再入彈道為平穩滑翔彈道，其中a_ε為縱向加速度，為縱向加速度變化率；T為時間常數；

步驟3：平穩滑翔彈道解析解求解

通過對高度一階導數再求導建立再入高度的二階動態微分方程，考慮縱向加速度的影響，采用正則攝動的方法逐步逼近真實的平穩滑翔高度，然后將平穩滑翔高度解析解對時間求導，可獲得平穩滑翔彈道傾角和縱向加速度的解析解；

步驟4：平穩滑翔彈道動態特性分析

定義并分析平穩滑翔高度增量，將其帶入再入高度的二階動態微分方程，可獲得平穩滑翔彈道的動態特性，包括穩定性分析，自然頻率和阻尼分析；

步驟5：平穩滑翔反饋控制設計

為了使振蕩的彈道快速收斂到平穩滑翔狀態，對平穩滑翔高度增量動態系統采用微分反饋進行極點配置，抑制彈道震蕩，同時給出了定阻尼下的微分反饋系數。

其中，在步驟1中所述的“假設地球為非旋轉均質圓球，建立再入縱向動力學方程，得到了再入飛行器的高度、速度、彈道傾角和射程對時間的一階導數”，其具體作法如下：

假設地球為非旋轉均質圓球，建立再入縱向動力學方程如下所示，

式中，h、V、γ、s分別為再入飛行器的高度、速度、彈道傾角和射程，分別為再入飛行器的高度、速度、彈道傾角和射程對時間的一階導數；r為從地心至飛行器的徑向距離，兩者關系為h＝r-R₀，其中R₀為地球半徑。σ為傾側角；g為重力加速度；L₁和D分別為縱向升力加速度和阻力加速度。

其中，在步驟2中所述的“以攻角α和傾側角σ為規劃變量進行彈道規劃，選取為目標函數，所獲得的再入彈道為平穩滑翔彈道，”，其具體作法如下：

以攻角α和傾側角σ為規劃變量進行彈道規劃，選取為目標函數，所獲得的再入彈道為平穩滑翔彈道，其中a_ε為縱向加速度，為縱向加速度變化率；T為時間常數。它具有如下特點：

(1)當且僅當再入彈道的攻角曲線和傾側角曲線均連續可導時，才能獲得對應的平穩滑翔彈道，不連續或者不可導的攻角曲線(或者傾側角曲線)均只能得到振蕩的再入彈道。

(2)平穩滑翔彈道是給定攻角曲線和傾側角曲線所對應的再入彈道族的中心，其它彈道均圍繞平穩滑翔彈道振蕩。

其中，在步驟3中所述的“通過對高度一階導數再求導建立再入高度的二階動態微分方程，考慮縱向加速度的影響，采用正則攝動的方法逐步逼近真實的平穩滑翔高度。然后將平穩滑翔高度解析解對時間求導，可獲得平穩滑翔彈道傾角和縱向加速度的解析解”，其具體作法如下：

A.高度動態微分方程建立

式(1)給出了高度對時間的一階倒數，將其對時間進一步求導，帶入式(2)和式(3)，并考慮γ為小量，cosγ≈1且g(sinγ)²≈0。取可得，