高超声速飞行器周期巡航轨迹设计与优化

针对高超声速飞行器,给出了参数建模方法并分析了其气动特性,建立了乘波体外形高超声速飞行器的纵向平面运动学模型;提出了高超声速飞行器巡航段周期轨迹的方案及相应的轨迹优化方法.采用高斯伪谱法解决周期性轨道优化问题,将原有的连续周期非线性优化问题转化为多段离散优化问题,并采用SQP算法求得最优解.仿真结果表明,在巡航航程相同的情况下,周期轨迹比稳态轨迹更省燃料.     

基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计

针对高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的研究问题,为实现高超声速飞行器的燃料最省上升轨迹快速求解,对定动压情况下高超声速飞行器上升段轨迹特性进行了研究分析,给出了定动压情况下高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的快速反解方法,总结分析了不同定动压下的上升轨迹特性,并在此研究的基础上提出了基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计方法。该方法可以通过设计燃料最省的动压曲线,反解出该预置动压下的上升轨迹参数,得到一条近似燃料最省最优解的轨迹。仿真结果表明,经过解算得到的上升轨迹结果与高斯伪谱法得到的最优上升轨迹结果基本相似。     

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

高超声速飞行器发射段运动模态特征分析

在发射段,吸气式高超声速飞行器和助推火箭构成了一个整体,其运动轨迹属机动轨迹,以此轨迹作为基准状态的运动模态受轨迹机动性的影响.以某吸气式高超声速飞行器和助推火箭组成的整体为研究对象,采用“系数冻结法”,选取机动轨迹跃升段上一个典型的冻结点,建立了线性模型.通过计算分析,得出了飞行器在该点的模态特征,并揭示了轨迹参数和飞行器结构的不对称性对运动模态的影响机理.所得结论对高超声速飞行器的控制器设计和发射轨迹选择有重要意义.     

基于GPM的高超声速飞行器再入轨迹优化

为保证高超声速飞行器具有最大再入距离,应用高斯伪谱方法求取了存在路径约束及终端约束的飞行器最优再入轨迹。首先选取迎角及倾斜角作为最优控制量,并分析再入轨迹的最优控制模型;然后应用高斯伪谱方法将最优控制问题离散成非线性规划问题,并采用SNOPT软件包对非线性问题进行求解,得到最优轨迹。通过仿真证明了该方法求得的最优轨迹对初始值不敏感,且具有良好的实时性。     

高超声速飞行器末段轨迹快速优化

利用高斯伪谱法求解具有路径约束和落角、落速等终端约束条件下的高超声速飞行器末段轨迹优化问题。分析了不同LG节点数目对该问题求解精度和计算时间的影响,以及不同LG节点的拟合多项式与实际积分结果之间的相对误差关系。根据精度需要,选择合适的LG节点进行优化,分析了状态变量与积分结果的相对误差传播情况。仿真结果表明,采用节点分析后的高斯伪谱法在求解该问题上具有较高的计算精度和计算效率。     

高超声速飞行器末段轨迹快速优化

利用高斯伪谱法求解具有路径约束和落角、落速等终端约束条件下的高超声速飞行器末段轨迹优化问题.分析了不同LG节点数目对该问题求解精度和计算时间的影响,以及不同LG节点的拟合多项式与实际积分结果之间的相对误差关系.根据精度需要,选择合适的LG节点进行优化,分析了状态变量与积分结果的相对误差传播情况.仿真结果表明,采用节点分析后的高斯伪谱法在求解该问题上具有较高的计算精度和计算效率.     

美国高超声速飞行器转捩装置设计研究综述

吸气式高超声速飞行器前体边界层转捩研究是美国高超声速研究计划的重要内容之一。简述美国吸气式高超声速飞行器(X-43)转捩装置设计的背景,阐述转捩装置的设计策略和位置确定原则,介绍美国转捩试验风洞的选择依据和主要风洞,归纳美国风洞试验采用的主要测试技术和研究方法,分析"钻石"型和"斜坡"型转捩装置构型的风洞试验结果。     

吸气式高超声速飞行器制导与控制研究现状及发展趋势

制导与控制技术是发展高超声速飞行器的关键技术,同时也是控制学科研究的热点问题,许多先进控制理论在此领域得到应用。鉴于此,分析了吸气式高超声速飞行器动力学模型非线性、强耦合和不确定性等特点,指出高超声速飞行器制导与控制技术面临的挑战。在综述国内外研究成果的基础上,对吸气式高超声速飞行器制导与控制中基于线性化的非线性控制方法和直接针对非线性模型的控制方法分类讨论,分析了尚待解决的问题和不足。最后,结合吸气式高超声速飞行器鲁棒性、自适应性和智能化的目标,从面向机动目标制导律、高速目标拦截器制导律、全空域机动飞行控制和先进智能控制理论等方面展望了此领域研究的发展趋势。     

基于改进鸽群算法的高超声速飞行器轨迹优化

采用基于罚函数思想的约束处理技术改进鸽群智能算法,应用于复杂的带约束的飞行器轨迹优化问题。以高超声速飞行器爬升段轨迹优化为例,建立其包含微分方程约束、路径约束和终端约束的优化数学模型,通过罚函数构造算法的适应值函数并对优化变量添加边界强约束,将改进的鸽群智能(PIO)算法和粒子群(PSO)算法对高超声速飞行器爬升段优化数学模型进行对比仿真分析。仿真结果表明,改进的鸽群智能算法在解决此类复杂带约束优化问题中展现出了更好的优化效率,具有良好的工程应用价值。     

Performance limitations in trajectory tracking control for air-breathing hypersonic vehicles

An integrated approach that considers the performance limitations of tracking control systems for air-breathing hypersonic vehicles is proposed. First, a set of ascent trajectories is obtained as candidates for tracking control through a trajectory design method that considers the available acceleration. Second, the basic theory of performance limitations, which is adopted to calculate the limits on control performance through the trajectory, is integrated. The open-loop dynamics of air-breathing hypersonic vehicles is responsible for these limits on the control system. Comprehensive specifications on stability, tracking accuracy, and robustness are derived, and the flight envelope with constraints and control specifications is identified. Simulation results suggest that trajectory design should consider restrictions on control performance to obtain reliable solutions.     

Review of control and guidance technology on hypersonic vehicle

Air-breathing hypersonic vehicle has great military and potential economic value due to its characteristics: high velocity, long range, quick response. Therefore, the development of hypersonic vehicle and its guidance and control technology are reviewed in this paper. Firstly, the development and classification of hypersonic vehicles around the world are summarized, and the geometric configuration and mission profile of typical air-breathing hypersonic vehicle are given.Secondly, the control dif...     

吸气式空天飞行器闭环上升制导研究

闭环上升制导是吸气式空天飞行器达到快速优化、实时规划以及自主制导的必然要求。采用GHAME吸气式空天飞行器作为研究对象,提出了闭环上升制导最优控制方案,重点论证了该方案不存在关于节流阀值的奇异问题,并阐述了最优推力控制的Bang-Bang控制。引入有限差分法求解两点边值问题,并通过终端时刻调节算法求解终端时刻自由问题。仿真结果表明,所提出的闭环制导算法是有效、可行的,具有显著的优越性。     

多飞行器再入段时间协同弹道规划方法

提出了一种多飞行器再入段时间协同弹道规划方法。首先,在纵向平面内规划满足航程与终端约束的纵向标称轨迹。随后,在采用轨迹跟踪律跟踪纵向标称轨迹的同时,运用考虑初始横侧向状态的多边界航向偏差角走廊策略控制飞行器的横侧向机动,以满足到达时间约束与终端约束,进而实现单枚飞行器到达时间约束下的轨迹规划。在此基础上,完成了飞行器的到达时间分布与飞行能力分析,给出了最小与最大到达时间的分析计算方法,并根据多飞行器协同再入的任务需求完成了协同飞行时间决策。最后,多飞行器协同再入与扰动条件下的仿真结果表明,该方法能够规划出满足到达时间与终端约束的协同再入轨迹,具备良好的计算精度与鲁棒性。     

高超声速飞行器复杂结构热试验技术

为解决高超声速飞行器复杂结构热试验加热器设计难题,以高超声速飞行器钝头体试验样段为研究对象,对复杂结构热试验从试验方案确定,加热器详细设计,温度、应变、位移的测量及热流控制方法等相关技术进行研究。通过自行设计的红外加热器完成了钝头体试验样段的高温试验,获得了大量的温度、应变、位移等试验数据。通过本次研究,梳理了高超声速飞行器复杂结构加热器设计流程,为优化结构设计提供了重要试验数据支持。     

Reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle satisfying complex constraints

The reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle（HV）is a current problem of great interest.Some complex constraints,such as waypoints for reconnaissance and no-fly zones for threat avoidance,are inevitably involved in a global strike mission.Of the many direct methods,Gauss pseudospectral method（GPM）has been demonstrated as an effective tool to solve the trajectory optimization problem with typical constraints.However,a series of diffculties arises for complex constraints,such as the uncertainty of passage time for waypoints and the inaccuracy of approximate trajectory near no-fly zones.The research herein proposes a multi-phase technique based on the GPM to generate an optimal reentry trajectory for HV satisfying waypoint and nofly zone constraints.Three kinds of specifc breaks are introduced to divide the full trajectory into multiple phases.The continuity conditions are presented to ensure a smooth connection between each pair of phases.Numerical examples for reentry trajectory optimization in free-space flight and with complex constraints are used to demonstrate the proposed technique.Simulation results show the feasible application of multi-phase technique in reentry trajectory optimization with waypoint and no-fly zone constraints.     

三维高超声速飞行器再入轨迹快速优化

高超声速再入轨迹优化问题是一类复杂的最优控制问题。采用高斯伪谱法(GPM)将再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题(NLP),对NLP进行归一化处理后,采用SNOPT软件包求解。根据协态变量映射规则计算出协态变量,得出哈密尔顿函数沿最优控制的变化过程。算例中,GPM耗时约7 s即可生成一条严格满足各种约束的三维最优再入轨迹,耗时远少于相关文献,并且优化精度高,满足一阶最优性必要条件。