航天运输系统及再入飞行器中的高超声速技术

概要介绍了50年来中国航天运输和再入飞行器的发展及其对高超声速技术的发展的带动,探讨了高超声速技术的发展方向及其对航天运输及再入飞行器的促进与影响.     

高超声速飞行器的终端滑模姿态控制

针对具有高度非线性、强耦合、含较大不确定性特点的高超声速飞行器,设计了终端滑模控制器,并应用于高超声速飞行器的姿态控制中。对飞行器姿态控制系统的慢回路设计PID控制律,快回路设计终端滑模控制律。终端滑模控制对系统参数的变化不灵敏,具有良好的鲁棒性。并利用李雅普诺夫稳定性理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真结果表明,在气动参数大范围摄动的情况下,该控制系统对于高超声速飞行器姿态角信号指令具有良好的跟踪性能。     

高超声速飞行器多约束再入滑翔机动弹道优化设计

建立了升力体再入滑翔飞行器的气动模型和多约束模型。多约束模型除了包括热流密度、气动过载、动压和终端约束等典型约束外,还建立了更符合实际任务的路径点和禁飞区约束模型,并利用路径点、禁飞区和终端约束划分弹道,在各段分别使用高斯伪谱法进行弹道求解,将多段多约束的最优控制问题转换为非线性规划问题。改进的准平衡滑翔条件保证了弹道平缓。最后通过Matlab仿真计算验证了所用分段高斯伪谱法规划弹道比传统的高斯伪谱法具有更精确的优化结果和更高的优化效率。     

高超声速再入飞行器气动加热计算方法研究

气动加热计算是高超声速再入飞行器的关键技术之一.文中用CFD方法获取边界层外的无粘数值解,代人边界层内工程方法的计算公式,获得热流密度.驻点区热流密度计算采用Fay-Riddle公式,非驻点区采用Eckert参考焓方法.通过与风洞实验和纯粹数值方法的结果相比,验证了采用边界层外无粘数值解和边界层内工程算法相结合来计算飞行器表面热流密度的可行性.     

临近空间高超声速飞行器再入制导关键技术研究

从近年的战争情况来看,武器的打击速度和突破防御能力得到了更多的重视,临近空间高超声速飞行器则具有射程远、快速打击目标、突防能力强的特点.介绍了国外主要军事发达国家临近空间高超声速飞行器技术的发展历史及现状,同时指出高超声速飞行器在其再入制导方面面临的问题,并对高超声速飞行器再入制导的一些关键技术进行了讨论研究.     

带推力高超声速飞行器非连续点火再入轨迹研究

带推力高超声速飞行器非连续点火助推可有效提高再入飞行器灵活性和机动性。为分析点火时刻和助推时长对飞行器再入轨迹的影响,根据发动机开关机状态,改进高斯伪谱法将非连续点火助推再入轨迹进行分段优化处理,实现不同点火时刻和助推时长的再入轨迹优化。发动机关机时,利用高斯伪谱法生成满足多约束条件的最优再入轨迹;发动机点火后,按照给定控制输入,由数值积分计算生成再入轨迹。在分段点处附加约束条件,保证飞行器状态在分段点处连续衔接。选取再入过程中A、B、C、D 4个典型时刻进行发动机一次点火和二次点火,以横向航程最大为目标,设计仿真算例。研究结果表明：改进的高斯伪谱法可有效求解带推力飞行器非连续点火再入轨迹优化;在助推发动机总冲一定时,点火时刻对飞行器再入轨迹影响明显。     

某高超声速飞行器助推段纵向控制策略研究

为解决某高超声速飞行器助推段纵向控制的问题,以火箭助推垂直发射式飞行为对象,对其高超声速飞 行器助推段纵向控制策略进行研究。根据飞行器的飞行环境和自身结构,给出特性分析并剖析了控制难点,建立运 动参数时变模型,提出纵向姿态控制、增稳控制和迎角保护策略。分析结果表明：从稳定性和操纵性两方面与迎角 相比,俯仰角控制器具有更好操稳性,俯仰角速率指令内回路在助推段相比于阻尼内回路具有更好的鲁棒性。     

国外高超声速飞行器目标特性研究进展

随着高超声速飞行器的快速发展,对其目标特性的研究也备受关注:从进攻角度考虑,需要研究高超声速飞行器的隐身设计、进攻战术、突防措施等;而从防御角度考虑,需要具有对高超声速飞行器的探测、跟综和识别的能力。介绍了国外高超声速飞行器目标特性研究内容和技术途径,总结了再入流场、光电特性的研究及进展。     

高超声速飞行器巡航段拦截作战需求分析

运用高超声速动力学和系统分析等理论和方法,分析了高超声速飞行器的主要性能特点、航路特点和拦截特点,指出其巡航段飞行时间长、航迹最平稳,巡航段拦截是最有效、最理想的拦截方式。提出巡航段拦截方法,并依此分析了传统防御系统存在的不足。最后,概括总结出高超声速飞行器巡航段拦截预警探测、指挥控制、拦截打击方面的能力需求。     

弹性高超声速飞行器预设性能精细姿态控制

将反演控制技术、预设性能控制和神经网络相结合,研究设计巡航飞行的高超声速飞行器精细姿态控制器。研究中考虑了高超声速飞行器弹性形变对飞行攻角的影响,引入诱发攻角的概念来刻画气动弹性对飞行器的影响;在考虑弹性的情况下,利用预设性能的设计来满足精细姿态控制的指标要求,同时可以兼顾系统的瞬态性能;利用全局调节动态神经网络在线逼近诱发攻角方程中的未知项,利用Lyapunov稳定性理论得到神经网络权值、中心点和影响范围的自适应调节律,引入鲁棒项来处理神经网络逼近误差的影响,最终设计出考虑气动弹性情况下的高超声速飞行器预设性能精细姿态控制器。通过Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性以及闭环系统所有信号均有界,仿真分析验证了所设计的控制器能够使系统跟踪误差满足预设性能的要求,以此实现姿态精细控制。     

可重复使用运载器的RCS姿态控制技术研究

反作用控制系统作为可重复使用运载器高空的姿态控制手段,其力矩特性不同于常规的气动操纵面,因此设计适合高空姿态控制特点与要求的控制系统是非常必要的。文中采用了一种带死区的乒乓控制方式,设计了俯仰、滚转和偏航的反馈控制律,采用描述函数法在频率上分析了控制系统的稳定性。仿真结果表明,设计的控制系统能较好的满足高空姿态控制要求,最后对姿态控制效果和反作用控制系统喷量之间的关系进行了分析。     

高超飞行器的非线性预测姿态控制

针对高超飞行器姿态动力学模型多约束、多变量耦合和非线性的特点,采用预测控制理论设计了时变自适应控制器.根据奇异摄动理论将复杂的动力学分解为快慢内外环动力学,直接对非线性系统伪线性化建模,把非线性优化问题转化为线性时变系统的次优化;将指标约束、输入约束、稳定约束转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,在线滚动优化求解预测反馈控制律.结果表明,该控制方案保证了闭环系统的稳定性.     

可重复使用运载器RCS修正脉冲调宽算法研究

主要结合可重复使用运载器的特殊工作环境、任务需求和实际的工程硬件的可实现性提出了修正脉冲调宽RCS系统指令处理逻辑，使用具有离散性能的推力器对控制律给出的线性变化控制量进行近似拟和．与常规的基于死区的处理方法相比较．既保证了姿态控制系统对指令姿态的跟踪能力．稳定性能达到期望要求．同时姿态角速度和角度的振荡频率降低到1Hz以下．RCS系统燃料消耗降低57％，也不会对推力器性能产生苛刻的要求。最终的仿真结果验证了该方法的有效性和适用条件。     

基于PWPF的动能拦截器姿态控制方法研究

大气层外动能拦截器姿态控制系统的执行机构为六台常值推力发动机,为弹体稳定的跟踪目标提供非连续的常值推力,而使用PWPF调制技术可以将常值推力等效为连续推力;动能拦截器姿态控制系统具有行强耦合和明显非线性的特点,对经过简化的姿控系统设计出线性二次型最优跟踪控制律,使用经PWPF调制技术等效的连续推力来实现动能拦截器的姿态控制,并进行了仿真.     

空天飞行器再入姿态控制研究

为满足空天飞行器在再入过程中各种约束条件,对其再入段的姿态控制进行研究。以HORUS-2B 飞行器 为研究对象,根据飞行器的舵面偏转特点,建立纵向非线性模型,通过对再入过程的约束条件分析,选定合适的初 始攻角,对切换控制律进行设计,通过经典控制与模糊控制相结合的方式来整定控制参数,并进行仿真验证。仿真 结果表明：控制系统能够很好地对攻角和过载进行控制,并具有很好的鲁棒性,能抑制不确定性的影响。     

运载器姿态控制重构研究

运载器发动机推力下降故障模式较为常见,对于典型的非致命故障采取姿态重构控制技术往往可以挽救一发飞行任务。随着计算机软件与硬件技术水平的提升,控制重构技术具有重大的意义。在此,开展了运载器故障动力学建模研究,提出了运载器重构控制技术方案。介绍了一种姿态重构控制技术研究成果,包括控制律设计与控制重分配方法,并针对所提出的姿态重构方法开展了仿真验证,结果表明姿态重构技术在发动机推力故障下仍可保证运载器良好的姿控性能与稳定能力。最后展望了智能控制技术发展前景。     

高超声速飞行器自抗扰PID姿态控制

针对高超声速飞行器模型非线性、气动参数变化剧烈的特点,运用自抗扰技术中的跟踪微分器,设计了自抗扰PID控制器,实现了对高超声速飞行器俯仰通道的姿态控制。仿真结果表明,通过两个跟踪微分器构造的自抗扰PID控制器对于高超声速飞行器这样复杂的模型有很好的控制能力,并且有很好的滤波性能和鲁棒性。     

可重复使用运载器的工程化姿态控制系统设计

基于古典控制理论和BTT倾斜转弯控制技术,设计了可重复使用运载器(RLV)的大气层内姿态稳定控制系统.控制系统采用角速率和加速度作为PI控制的反馈信号,系统实现简单,可同时满足侧向大、小扰动情况下的姿态稳定控制要求.数值仿真结果表明该方案有效可行.     

可重复使用运载器异构多执行机构混合算法研究

基于线性规划方法对可重复使用运载器提出了一种简单有效、物理意义明显的实时在线控制分配算法，根据高空段飞行器的参考轨迹，提出了合理的系统结果和实现方法。将控制律给出的控制力矩合理分配给气动面的反作用控制系统，并考虑了实际的硬件特性要求。分析了算法中参数的设置方法和其对应的物理意义。避免了由于执行机构和其工作模式更换导致飞行器出现瞬态变化和系统颤振。最终的仿真表明了该算法具有明显的效果。