[發(fā)明專利]一種兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡及設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711399526.1
• 申請(qǐng)日: 2017-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108298110A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王永圣;徐穎珊;郭健;張浩成;聶文田
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京空天技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): B64G1/24
• 分類號(hào): B64G1/24
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提出一種兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡及設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)一二級(jí)上升段進(jìn)行劃分，確定上升段軌跡形式，首先確定分離點(diǎn)位置，再進(jìn)行二級(jí)軌跡設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行一級(jí)軌跡設(shè)計(jì)。本發(fā)明算法簡(jiǎn)潔、求解高效，可廣泛用于空天飛行器、臨近空間高超聲速飛機(jī)上升段軌跡設(shè)計(jì)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡及設(shè)計(jì)方法，屬于空天飛行器入軌軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

空天飛行器是一種以吸氣式組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，能夠在稠密大氣、臨近空間、空間穿梭飛行器的新型天地往返運(yùn)輸飛行器，按照入軌級(jí)數(shù)可分為兩級(jí)入軌空天飛行器和單級(jí)入軌空天飛行器，而兩級(jí)入軌空天飛行器技術(shù)難度相對(duì)較低，且一子級(jí)采用吸氣式組合動(dòng)力、二子級(jí)采用火箭動(dòng)力的兩級(jí)入軌空天飛行器(簡(jiǎn)稱為兩級(jí)入軌空天飛行器)將更快形成實(shí)用能力。

上升段包含運(yùn)載器起飛到載荷入軌全部軌跡。現(xiàn)有的運(yùn)載火箭采用垂直起飛方式、火箭動(dòng)力大推力加速，很快穿越大氣層軌跡形式簡(jiǎn)單，上升段采用固定飛行程序進(jìn)行飛行，上升段軌跡設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)飛行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)經(jīng)驗(yàn)積累運(yùn)載火箭飛行程序已經(jīng)形成固定形式，根據(jù)任務(wù)要求對(duì)飛行程序參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化便可得到滿足要求的飛行程序，即完成上升段軌跡設(shè)計(jì)。

與運(yùn)載火箭不同，兩級(jí)空天飛行器采用水平起飛方式、組合動(dòng)力推進(jìn)，其上升段軌跡可再細(xì)分為一級(jí)段和二級(jí)段。一級(jí)段一子級(jí)組合動(dòng)力工作在稠密大氣、臨近空間飛行以獲得速度增量和一二級(jí)分離時(shí)位置、速度方位要求。二級(jí)段二子級(jí)火箭動(dòng)力工作，持續(xù)加速進(jìn)入目標(biāo)軌道，該段軌跡形式與運(yùn)載火箭無(wú)異。

由于軌跡形式差別，二級(jí)運(yùn)載火箭上升段軌跡設(shè)計(jì)方法不能適用于兩級(jí)空天飛行器上升段軌跡設(shè)計(jì)。且目前兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡設(shè)計(jì)方法研究主要集中在縱平面內(nèi)標(biāo)稱軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法方面，設(shè)計(jì)指標(biāo)多為燃料最優(yōu)、時(shí)間最短等，并不考慮機(jī)場(chǎng)與目標(biāo)軌道空間相對(duì)位置關(guān)系，上升段軌跡設(shè)計(jì)無(wú)法滿足空間約束要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種空間約束要求的兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡及設(shè)計(jì)方法,滿足機(jī)場(chǎng)位置(發(fā)射點(diǎn))與目標(biāo)軌道(入軌點(diǎn))相對(duì)位置約束。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡，兩級(jí)入軌空天飛行器一級(jí)采用吸氣式組合動(dòng)力、二級(jí)采用火箭動(dòng)力，兩級(jí)入軌空天飛行器上升段軌跡由一級(jí)上升段軌跡和二級(jí)上升段軌跡組成，所述的一級(jí)上升段軌跡為從起飛點(diǎn)到分離點(diǎn)分為起飛段、加速Ⅰ段、航向調(diào)整段、加速Ⅱ段、巡航飛行段、射面調(diào)整段和加速Ⅲ段，所述的一級(jí)上升段軌跡由二級(jí)上升段軌跡在分離點(diǎn)的軌跡偏角初值、分離時(shí)刻和分離點(diǎn)位置為約束；

所述的起飛段、加速Ⅰ段、加速Ⅱ段和加速Ⅲ段無(wú)滾轉(zhuǎn)和側(cè)滑，速度、高度、傾角及航程由縱平面標(biāo)稱軌跡確定，所述的航向調(diào)整段和射向調(diào)整段有滾轉(zhuǎn)無(wú)側(cè)滑，等速、等高飛行，所述的巡航飛行段無(wú)滾轉(zhuǎn)和側(cè)滑，等速、等高飛行。

所述的縱平面標(biāo)稱軌跡為本領(lǐng)域公知技術(shù)，可由高斯維普法等優(yōu)化算法確定。

所述的分離點(diǎn)確定準(zhǔn)則為：分離點(diǎn)為在一級(jí)吸氣式組合動(dòng)力機(jī)動(dòng)可達(dá)范圍內(nèi)的目標(biāo)軌道星下點(diǎn)。

所述的分離點(diǎn)確定步驟如下：

(1)在要求的發(fā)射時(shí)段以目標(biāo)軌道要素形成星下點(diǎn)軌跡；

(2)以機(jī)場(chǎng)起飛點(diǎn)為圓點(diǎn)、一級(jí)機(jī)動(dòng)能力為半徑作機(jī)動(dòng)范圍圓，處于一級(jí)機(jī)動(dòng)范圍圓內(nèi)的星下點(diǎn)即可作為可選的分離點(diǎn)位置；

(3)根據(jù)對(duì)飛行任務(wù)對(duì)分離點(diǎn)的其他要求，如一級(jí)飛行距離最小、入軌時(shí)刻等要求，從步驟(2)中確定分離點(diǎn)具體位置。

所述的二級(jí)上升段軌跡從分離點(diǎn)到入軌點(diǎn)分為一次動(dòng)力飛行段、無(wú)動(dòng)力滑行段和二次動(dòng)力飛行段，以一級(jí)預(yù)定的分離狀態(tài)初值(速度、高度及軌跡傾角)和分離點(diǎn)位置為輸入進(jìn)行二級(jí)軌跡設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)為采用火箭動(dòng)力的飛行軌跡設(shè)計(jì)公知技術(shù)。