[發(fā)明專利]一種短航程低過載的再入軌跡設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911070440.3
• 申請日: 2019-11-05
• 公開（公告）號: CN110733670B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張洪波;周亮;曾亮;李兆亭;湯國建
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24;B64G99/00;G06F17/11
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 43113
• 代理人: 馬強;王娟

本發(fā)明公開了一種短航程低過載的再入軌跡設(shè)計方法，考慮對于以接近第二宇宙速度再入大氣的飛行器再入過程，引進大升阻比航天器滑翔式再入的概念。首先設(shè)定初始下降段常值傾側(cè)角飛行，在滑翔段和末端引入軌跡參數(shù)對軌跡進行描述；然后根據(jù)軌跡參數(shù)與控制指令傾側(cè)角的關(guān)系，得到需求的控制指令；為實現(xiàn)低過載，引入過載限制，當過載超出一定范圍時，通過適當減小傾側(cè)角來保證過載不超過最大限制的要求；最后通過校正初始下降段傾側(cè)角，實現(xiàn)不同航程任務(wù)需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及軌跡規(guī)劃技術(shù)，屬于飛行器再入制導(dǎo)領(lǐng)域，可應(yīng)用于小升阻比的再入航天器再入大氣層過程的制導(dǎo)策略中，對于設(shè)計的此類再入軌跡，因為其航程短和過載低的特點，對現(xiàn)有載人飛船應(yīng)急返回過程有一定參考價值。

背景技術(shù)

探月返回器以第二宇宙速度再入大氣層，面臨劇烈的熱約束問題，對于載人返回器，對應(yīng)的過載約束、落點精度要求更高。現(xiàn)有的地球大氣再入方式主要有彈道式再入、彈道-升力式再入、升力式再入。對于載人探月返回器主要以彈道- 升力式中的跳躍式再入方法實現(xiàn)返回過程，在升力作用下再次沖出大氣層，做一段彈道式飛行后，再一次進入大氣層的返回再入。通過跳躍式再入可以使得飛船再入的可設(shè)計航程范圍變寬、再入最大過載和熱流變小，但是對于應(yīng)急需要以短航程快速返回的情況，存在再入時間長，總吸熱量大的問題。現(xiàn)有的以彈道式再入的應(yīng)急返回方式雖然比較簡單，但存在再入過載較大，可能達到7～13g，返回艙著陸點散布范圍大的問題。

再入軌跡規(guī)劃是指按照一定的方法，規(guī)劃出一條滿足再入過程約束和再入終端約束的軌跡。現(xiàn)有軌跡規(guī)劃技術(shù)主要側(cè)重于軌跡規(guī)劃的最優(yōu)性和快速性上，即分為離線最優(yōu)軌跡規(guī)劃和在線快速軌跡規(guī)劃技術(shù)。在再入最優(yōu)軌跡規(guī)劃方面，主要體現(xiàn)在優(yōu)化方法的發(fā)展，以鄰近極值法、多重打靶法等為代表的間接法，和以配點法、偽譜法等為代表的直接法。在快速軌跡規(guī)劃上，主要研究如何提高軌跡規(guī)劃速度，由離線軌跡規(guī)劃向在線軌跡規(guī)劃發(fā)展和如何拓展軌跡維度，由二維軌跡向三維軌跡發(fā)展的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有再入方式存在的問題，通過引入大升阻比飛行器中滑翔飛行的概念，通過設(shè)定滑翔段軌跡形式，提供一種短航程低過載的再入軌跡設(shè)計方法，為載人探月飛船再入返回提供一種應(yīng)急返回彈道。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種短航程低過載的再入軌跡設(shè)計方法，包括以下步驟：

Step1：在地球圓球(r＝R₀+h)假設(shè)，大氣密度指數(shù)模型(ρ＝ρ₀e^-βh)假設(shè)下，以高度為自變量的再入運動方程描述形式如下：

其中v為相對地球的速度大小，為當?shù)厮俣葍A角，ψ為速度方位角，r為地心距，h為飛行器高度，λ、分別為地心經(jīng)度、地心緯度，σ為傾側(cè)角，m為飛行器質(zhì)量；ρ為大氣密度；S_ref為飛行器參考面積；C_L、C_D分別為飛行器的氣動升力系數(shù)和氣動阻力系數(shù)，R₀為地球平均半徑，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度。其余符號下標0代表再入點初始值或標準值，下標f代表再入終端點的值，下標id代表初始下降段參數(shù)，gf代表滑翔段參數(shù)；為方便進行解析推導(dǎo)，引入如下記號：

Step2：初始下降段以常值傾側(cè)角飛行，代入到運動方程的第四式，積分得到速度傾角

上式中，Ω_id為滿足初始再入狀態(tài)的積分常數(shù)，計算公式如下：

將代入到運動方程的第三式，積分得到速度與高度的關(guān)系：