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高超声速滑翔飞行器机动技术研究

陈小庆  
【摘要】:高超声速滑翔飞行器具有远程快速到达和大范围横向机动能力,能够实现远程快速投送、大范围区域覆盖、远程精确定点着落、以及在较为宽泛的高度和速度范围内精确投放有效载荷,已成为当前远程快速到达和精确投送等应用领域的研究热点。 本文以高超声速滑翔飞行器为研究对象,围绕与其机动能力密切相关的关键技术展开深入研究与探讨,主要包括气动布局、动力学特性、BTT控制、控制面设计、机动轨迹优化等关键技术,初步建立了高超声速滑翔飞行器的概念设计方案。 在气动布局设计与研究中,研究了基于乘波构型的高升阻比气动布局设计与分析方法,提出了基于边界层修正的乘波构型设计方法,改进进化算法应用于乘波构型多目标优化设计,注重升阻比、容积、容积率、压心位置等工程实用性指标;综合考虑气动力和气动热设计指标,开展了乘波构型边缘钝化设计研究,分析表明,应合理选择钝化方案,使乘波构型在设计与非设计状态均具有良好的气动性能。 在动力学特性研究中,研究了高超声速滑翔飞行器的动力学特性。分析了乘波构型动导数产生的机理,提出了动导数计算方法;研究了高超声速滑翔飞行器长周期的动力学特性,分析了平衡滑翔弹道和跳跃弹道的产生机理,得到了跳跃次数、衰减速度等特征参数的表达式,与数值解对比验证了方法的正确性;根据滑翔飞行器的典型飞行轨迹,研究了攻角振荡阻尼和周期特性;针对阻尼偏小的特征,设计了俯仰阻尼器,仿真结果验证了阻尼器的有效性。 在控制面设计中,引入全动舵、嵌入式控制面以及RCS控制系统,设计了高超声速滑翔飞行器的气动布局;研究了所设计气动布局的配平特性,利用配平舵面保持飞行器的稳定性,提高容积利用率。引入控制面后的气动布局具有良好的气动性能;研究了全动舵及嵌入式控制面参数对气动性能的影响,分析表明控制面在配平和控制方面具有较高的效率。 在BTT控制系统设计与研究中,建立了高超声速滑翔飞行器的控制模型;基于轨迹线性化方法设计了控制律,针对多控制面布局特性,研究了基于优化的最小舵面偏转角控制分配方法,并针对倾斜转弯相关参数进行了分析;在控制器中引入非线性干扰观测器,通过对系统不确定的有效估计,设计补偿控制律以提高原有方法的控制性能;引进非线性状态观测器对测量噪声进行处理,基于轨迹线性化方法设计了状态观测器,仿真结果验证了状态观测器的去噪能力,降低了对控制执行机构的要求。 在机动轨迹优化设计与研究中,建立了高超声速滑翔飞行器轨迹优化的数学模型,包括考虑地球自转的再入运动方程、再入过程约束、终端约束模型以及轨迹优化目标;提出了基于Akima样条插值的直接优化方法,进行了滑翔轨迹的多目标优化分析,验证了方法的有效性;在直接法基础上,采用基于网格自适应的多分辨率技术进行轨迹优化,并对航路点和禁飞区约束提出了处理策略;结合设计的气动控制面和控制系统,进行包含控制律的轨迹仿真分析,研究了气动参数不确定性以及存在测量误差情况下控制系统的性能。仿真结果表明,所设计的控制系统具有较好的鲁棒性。 论文围绕高超声速滑翔飞行器的机动关键技术开展研究,建立了基于乘波构型的新型气动布局和控制面布局飞行器设计方法,形成了对短周期和长周期的再入动力学特征认识,设计了鲁棒性较强的BTT控制系统,验证了多分辨率技术在机动轨迹优化设计中的有效性。可为新型高超声速滑翔飞行器的气动布局设计、机动控制、实际应用提供理论支持,对高超声速远程飞行器的关键技术研究具有一定的参考价值。


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