高超声速飞行器再入段姿态控制技术研究

【摘要】：在高超声速飞行器研制初期,需要评估飞行器的可控性。本文基于随控布局的思想,开展了以再入段姿态控制技术为核心的飞行控制系统研究,完成了整个再入段控制策略及控制律的设计和仿真验证,为高超声速飞行器的姿态控制技术奠定了研究基础。 首先,论文分析了再入段飞行特点及国内外研究现状,针对再入初期和再入末端姿态控制存在的问题,提出了以迎角和滚转角为控制变量的总体控制方案;针对仿真验证环境的开发,提出了基于模块化设计思想的软件架构。 其次,根据高超声速飞行器对控制系统设计和仿真验证的需求,建立了考虑地球自转的三自由度模型和六自由度模型;基于轨迹线性化技术完成了对高超声速飞行器再入段稳定性与操纵性分析,尤其是纵向短周期模态、荷兰滚模态、副翼操纵反效以及整个再入过程中方向舵如何使用等问题。 再次,对于再入初期,气动舵面和RCS控制的协调管理,涉及到控制分配问题。控制分配问题的本质是根据控制能力进行有效的划分,再入过程中RCS与气动舵面的分配问题的核心在于如何确定使用权限、并最大限度地优先使用气动舵面,RCS的开启和断开是根据动压决定的。对于再入末端,BTT180控制要综合考虑舵面的有限性及迎角和滚转角速率带来的耦合影响,为此在再入末端对比分析了不同迎角和滚转角速率对于控制系统的影响,最终决定在小迎角下进行BTT180控制。 最后,在MATLAB环境中完成了六自由度非线性仿真平台的开发,对整个再入段控制系统的策略和功能进行了仿真验证。仿真结果验证了控制系统设计方案的正确性和可行性。