高超声速滑翔飞行器再入制导方法及热点问题研究综述

高超声速滑翔飞行器是一类具有重要战略价值的临近空间飞行器,其再入段制导是当前研究的重点问题之一.梳理了高超声速滑翔飞行器再入制导方法的发展历程,综述了标称轨迹制导方法、预测校正制导方法、闭环最优制导方法的原理和研究现状,并对其特点和局限进行了分析.针对再入协同制导、再入鲁棒轨迹优化、再入变体制导、再入智能制导等当前再入...     

航天器再入轨迹与控制进展

本文系统地总结了航天器再入轨迹与控制的最新进展，从９个专题对取得的研究成果，存在的问题及发展趋势作了分析，这些专题是最优再入轨迹计算与控制问题的提出及意义，再入飞行轨迹的性能指标，最优再入轨的近似计算与精确数值解，再入制导与控制系统。各类最成气动辅助变轨问题，航天器的组合导航系统，小型再入体的学特性及控制问题，再入飞行中的突防与拦截问题，一些再入问题的相互关系等。     

基于状态观测器的高超声速滑翔飞行器控制系统设计

以再入滑翔飞行器为研究对象,基于状态观测器设计了高超声速滑翔飞行器控制系统.为了满足高超声速滑翔飞行器高精度、高稳定控制的要求,针对滑翔飞行过程中可能存在的测量误差等不确定性因素,在快慢回路假设的基础上,基于轨迹线性化方法分别设计了快慢回路状态观测器,分析表明,基于轨迹线性化状态观测器-轨迹线性化控制器设计的控制闭环回...     

故障下高超声速飞行器再入在线轨迹重构

基于改进的网格细化技术和最优反馈控制思想,研究了高超声速飞行器再入段发生执行器故障的在线轨迹重构问题。标称情况下,利用改进的网格细化技术计算满足再入过程约束和终端约束的离线最优轨迹,为故障下在线轨迹重构提供初值猜测值;执行器发生故障后,标称轨迹已经不能满足制导要求,此时针对不同故障下改变的气动系数和再入约束条件,在线生成可行的再入轨迹,并实时反馈更新制导指令。通过采取一系列策略,满足故障下在线轨迹重构的实时性要求。以X-33飞行器为对象的仿真结果表明,执行器故障下在线生成的轨迹满足再入飞行约束和实时性要求,使高超声速飞行器可以安全的与着陆段交班,提高了飞行器的安全性和可靠性。     

基于拟平衡滑翔的再入轨迹快速规划方法

针对高超声速飞行器多约束条件下的再入轨迹规划问题,提出了一种基于拟平衡滑翔条件的三维再入轨迹快速规划方法;该方法充分利用滑翔式高超声速飞行器的再入飞行过程中的拟平衡滑翔条件,将过程约束转化为对倾侧角的约束;纵向轨迹规划采用直接规划倾侧角的方法,在倾侧角约束空间中利用内插的方法得到倾侧角剖面;侧向规划采用横程约束走廊确定倾侧角的反转时刻;最后,对该轨迹规划方法进行了算例分析,结果表明：该轨迹规划方法能够在满足各种过程约束和终端约束的情况下快速完成再入轨迹规划。     

再入飞行器基于气动力热约束的飞行轨迹控制优化研究

@@@@为了计算再入飞行器的可压流场特性,采用计算流体力学（CFD）方法获得不同工况下飞行器流场的气动特性。通过对多个工况点下流场热力学状态的分析与对比,给出高超声速飞行器再入飞行过程中的气动加热率与气动特性的数值分布,并依据这些数据对再入飞行器进行飞行轨迹的一体化优化设计与总体飞行仿真。     

多约束条件下高超声速导弹再入轨迹优化

为研究多约束条件下的高超声速导弹再入轨迹优化问题,提出了分段优化策略的再入轨迹优化方法,多阶段求解最优轨迹。建立了导弹的动力学模型、气动力模型和大气密度的计算模型,在考虑导弹的过载、动压、驻点热流和角度变化率等多种约束条件下,以导弹再入末速度最大和驻点热流最小为目标函数,基于hp自适应伪谱法和高斯伪谱法进行了弹道数值仿真。仿真结果表明,分段优化策略有效减少了计算时间,降低了计算复杂度。     

基于粒子群优化的再入可达区计算方法研究

针对升力式高超声速飞行器再入可达区计算问题,提出了一种粒子群优化（PSO）和倾侧角反转相结合的混合求解方案。为了减小待优化变量的搜寻空间,设计了一种参数化的倾侧角剖面,利用约束PSO算法求解满足再入过程约束和末端约束的最优滑翔轨迹。通过倾侧角正向和逆向反转逻辑直接生成倾侧角指令集合,进而实现高超声速飞行器再入可达区的快速估算。高升阻比再入滑翔飞行器CAV-H仿真实例表明,该混合优化求解方案易于实现且无需预估参数初值,具有良好的可操作性。     

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。     

基于微分平坦的滑翔式再入轨迹优化设计

为优化设计多约束条件下高超声速再入轨迹,研究了一种基于微分平坦理论的数值方法.引入独立伪控制输入及其始终为零的附加约束,扩展系统的微分平坦属性,将初始优化问题转换到平坦输出空间中,避免积分运算的同时降低了设计维度;采用样条插值参数化平坦输出,将平坦输出优化问题转化为非线性规划问题求解.仿真表明:该方法能够较快的设计出满足约束的再入轨迹,具有一定的工程参考价值.     

滑翔飞行器再入段弹道特性分析

为解决滑翔飞行器再入段受力复杂、非线性约束条件多、弹道设计难度大的问题,对平衡滑翔条件下的 弹道解析关系进行分析。根据平衡滑翔的概念,通过简化的动力学微分方程,对滑翔飞行器再入段弹道影响因素进 行分析,联合大气指数模型,推导出平衡滑翔条件下的弹道初始参数与速度、射程以及高度的解析关系,并进行仿 真验证。仿真结果表明：更高的滑翔初速和最优的平衡滑翔初始入射角可以增加滑翔距离,不同高度再入时对射程 影响不大。     

一种基于解析方法的滑翔再入轨迹快速规划方法

采用数值方法对再入飞行器进行在线轨迹规划时,计算量大,针对此问题,研究了一种基于解析方法的滑翔式再入轨迹规划方法,该方法能够快速规划出高精度的滑翔再入轨迹。基于飞行器再入运动特性,对飞行器滑翔再入的阶段进行了划分,并给出了阶段划分依据;基于运动方程,推导了一类含轨迹参数的滑翔式再入轨迹的高精度解析解;根据推导的再入运动解析解,将再入相关约束转化为轨迹参数约束;引入参数校正方法,根据轨迹参数与待飞航程间一一对应的关系,在轨迹参数约束范围内规划出能满足任务需求的再入轨迹。仿真结果表明,分阶段推导的解析解的精度要高于罗赫二阶解,与数值解相近;基于解析方法的滑翔再入轨迹规划方法避免了数值方法的大量积分运算,并能快速规划出满足任务要求且精度与数值方法相当的滑翔再入轨迹。     

复合制导炮弹最优滑翔弹道与控制

研究了制导炮弹最优滑翔弹道与控制问题.建立了滑翔弹道模型,以射程为指标函数,考虑终端速度、高度和弹道倾角约束,采用庞特里亚金极大值原理和共轭梯度法求出控制变量有约束的最优滑翔弹道,简要分析了滑翔增程机理.给出2种纵向通道控制结构,并进行控制参数设计,数值仿真表明2种控制结构均可实现对最优滑翔基准弹道的精确跟踪.     

变后掠翼航弹滑翔弹道优化设计

为增强变后掠翼航弹的滑翔能力,研究了一种变后掠翼航弹的滑翔弹道优化设计问题.分析了变后掠翼航弹的气动特性,将弹道优化问题转化为最优控制问题,利用最小值原理,推导了滑翔段飞行距离最大的必要条件,在此基础上采用粒子群算法对攻角及后掠角进行寻优,形成了一种基于攻角与后掠角双变量控制的弹道优化设计方法.数值仿真算例表明,在满足状态方程约束的条件下,双变量比固定外形和常规单变量控制的航弹射程显著提高,寻优结果符合气动特性分布规律,通过最优控制和粒子群算法优化弹道的方法是可行的.     

带鸭舵滑翔增程炮弹飞行弹道研究

文中针对鸭式布局的滑翔增程炮弹的飞行弹道特性,通过动力学分析,建立了滑翔增程炮弹的各飞行弹道段的弹道模型和控制模型,数值分析给出了滑翔增程弹飞行速度变化规律、最大射程角以及滑翔增程炮弹的滚转控制段与滑翔控制段的弹道特性,研究结果为鸭式布局滑翔增程炮弹的弹道设计提供了理论基础。     

螺旋再入弹道特性分析

针对螺旋再入弹道低空发散问题,提出一种减小弹头落点侧向位移的工程方法.通过仿真计算,研究了螺旋再入弹道的飞行规律、特点以及落点精度等问题.仿真计算表明,该方法是可行的,能够有效减小落点的横向偏差.结果表明,螺旋再入弹道的机动能力与升力系数密切相关,升力系数越大,螺旋弹道机动能力越强,其纵向射程相对弹道式再入弹道偏小.     

返回式滑翔飞行器最小航程轨迹优化方法

针对返回式滑翔飞行器在高马赫状态下的落区和航程难以大幅度调节的问题,采用Gauss伪谱法和序列二次规划法进行轨迹优化,实现最小航程设计;提出了航程压缩比的概念,建立了动力学模型和飞行约束体系,以类CAV-H飞行器为对象进行了仿真。研究表明,低空速度消耗和空间机动有益于减小航程;在指定纵平面内可将最小航程压缩至最大航程的42%;当落区在指定航向上且飞行器可偏离纵面做机动时,飞行器可返回离轨原点;通过轨迹优化,可以调节返回式滑翔飞行器的航程从而控制其落区范围。     

亚音速飞行器往复式滑翔增程弹道设计

为增加亚音速巡航导弹的有效航程,提出一种往复式滑翔增程弹道方案。基于已有的气动参数建立水平直飞巡航弹道与往复式滑翔巡航弹道模型,对比分析2种弹道方案的有效航程及其特性,从能量守恒角度出发研究往复式滑翔的增程原理。进一步研究初始飞行马赫数、初始弹道倾角以及初始飞行高度对往复式滑翔弹道增程特性的影响。研究结果表明:往复式滑翔弹道能够有效增加导弹航程,相比于常规水平直飞弹道的最大飞行距离,往复式滑翔弹道的增程效率达到100.42%; 在往复式滑翔弹道能够成功的前提下,初始飞行马赫数越大,初始弹道倾角越小,初始飞行高度越低,往复式滑翔弹道的增程效率越明显。     

载人飞船的制导,导航与控制技术探讨

本文根据美苏载人飞船控制系统的发展过程，研究了载人飞船控制系统研制的几个关键问题；制导、控制的任务和要求；导航和制导的方法，飞船的姿态控制；飞行中的分析，补偿和冗余技术；在大气中降落的弹道和再入控制；美苏载人飞船控制系统的特点和异同等。