题目:全球到达升力式再入飞行器运动建模与再入轨迹设计

2020-12-11 00:55发布

  摘要

  高超声速再入、全球到达、临近空间飞行是当前空天飞行器设计中的三大技术命题。这三大技术命题的有机结合,正在引起一场空间技术领域和军事领域的战略性变革。本文预见,在这一场变革中,空间以及临近空间中的飞行器平台将从传统的针对地表的可观测、可联络的“可见”功能,拓展到针对全球多重大气层以及地表的可到达、可打击的多层次的“可及”功能。本文提出了一套针对全球到达再入飞行器的系统化、直观化的可行轨迹分析和设计体系,是针对上述功能性转变将进行的策略研究的技术基础。 首先解决的是现今国内外惯用的再入质心运动方程不适合用于全球到达任务的问题。通过系统提出三元数的概念,消除了现有运动方程在地球极区存在的奇异性,创建了一系列适合临近空间高超声速飞行的在全球无奇异的运动方程。针对再入质心运动,本文又设计、创建了一套关于数值积分特性的研究体系,并从数值积分特性、地球模型选取、在极区的奇异性几个方面,对传统使用的再入质心运动方程与本文创建的无奇异方程进行了系统比较,为后续研究选取适当的运动方程建立数值优化模型提供了依据。 然后,针对缺乏全球到达再入轨迹优化设计工具的问题,本文首先对二维再入走廊的设计和轨迹优化的数值解法进行了独具特色的综述,基于综述研究的成果,将再入质心运动的无奇异方程作为优化模型的系统方程,考虑实际再入飞行的一系列非线性约束条件,基于高精度积分律的直接配置非线性规划法,使用SNOPT软件包,搭建了可用于全球到达升力式再入轨迹优化的设计平台。通过解算一系列常见再入轨迹优化问题以及现有研究普遍回避的极区再入问题,检验了平台的有效性。 出于对再入机动能力研究的需要,本文将再入飞行的横纵向机动跨度定义为横纵向机动能力,使用本文自行搭建的轨迹优化平台,针对再入初始条件对横纵向机动能力的影响问题进行了研究,得到了可帮助设计亚轨道再入初始条件的一系列变化规律。 在以上研究的基础上,本文首先将工程中常见的基于再入机动能力的“已知目标点,估计初始再入点的地理区间”的问题归结为“对空覆盖”问题,针对国外同类研究的缺陷,系统地提出了与“再入终迹区”概念完全对应的“再入界面窗口”概念,并在设计上予以实现。取自NASA的AGC项目的算例数据检验了“再入界面窗口”概念和设计方法的合理性。本文进一步讨论了再入界面窗口的特殊设计问题,如极点的再入界面窗口、二维再入走廊及再入初始条件对窗口的影响等。  综合以上研究,在有机整合多重大气层高度下,与“对地覆盖”和“对空覆盖”问题对应的再入终迹区和再入界面窗口的设计、分析问题的基础上,本文创建了一套针对全球到达再入飞行的系统化、直观化的可行轨迹分析和设计体系,即“三维再入走廊”体系。在对设计平台的选取进行讨论后,本文探讨了三维再入走廊在工程、军事、商业领域的应用前景。具体涉及工程的方案研究与研制阶段,军事作战指挥、训练,商用技术软件、未来民用空天交通指挥系统、商业娱乐相关的问题。  针对可行轨迹的实现问题,本文最后对可满足全球到达需求的再入制导律的问题进行了尝试性的探讨。提出了全球到达基准再入制导律的确定问题,给出了可参考方案;并提出了一套无奇异方位误差算法,用于消除现有再入侧向制导在极区的奇异性。