高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究

【摘要】： 高超声速滑翔式再入飞行器具有较大的机动能力,是实现远程快速精确打击或力量投送的新型再入飞行器。本文以解决高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导关键技术为目标,系统研究了再入弹道特性和最优飞行攻角方案、再入轨迹优化、轨迹在线生成和制导以及弹道突防能力分析问题,主要研究成果如下: 基于平面再入运动模型,研究了高超声速滑翔式再入飞行器的基本再入弹道形式与最优攻角方案。1)分析了再入点参数和最大升阻比对弹道的影响;2)应用物理规划方法求解了多目标最优再入轨迹,分析了沿最优轨迹飞行的物理原因;3)进一步提出了参数化最优攻角方案。 提出了基于Gauss伪谱法的高超声速滑翔式再入飞行器快速轨迹优化方法。针对传统轨迹优化方法在初值选取、计算效率上的不足,提出了基于Gauss伪谱法的含初值生成器的分段串行优化策略。应用该优化策略计算了到达目标点的最优再入轨迹、到达目标区域的最优再入轨迹和再入飞行的可达区。通过与数值积分解比较,验证了方法的有效性。在一般高性能微机上,计算约一万公里航程的最优再入轨迹与再入飞行近似可达区的时间均为3分钟左右,体现了方法的快速性。 改进了远程多约束三自由度再入轨迹在线生成方法。1)建立了给定飞行攻角方案和约束条件下的再入走廊数学模型;2)提出并利用改进的拟平衡滑翔条件,将弹道约束转换为控制变量约束,并将控制变量参数化,再利用速度与航程的近似关系,求解满足终端约束的控制变量参数和纵向参考轨迹;3)利用线性二次调节器跟踪纵向参考轨迹,引入航向角误差走廊控制横向轨迹,完成三自由度轨迹在线生成;4)仿真验证了该方法在一般高性能微机上耗时2-3s即可生成航程约一万公里的满足多约束的再入轨迹。 提出了设定航路点的预测-校正与跟踪控制的混合制导策略。将航迹分为预测-校正段和接近目标的重新瞄准段,前一段在设定的航路点间制导,后一段在线重生成参考轨迹并跟踪制导。1)提出了航路点确定方法;2)预测-校正段将控制变量参数化,基于大脑情感回路智能控制器建立了航路点间的预测-校正制导算法;3)重新瞄准段在线重生成轨迹,并利用线性二次调节器实现轨迹跟踪;4)仿真验证了标准条件、考虑再入点参数、大气密度、飞行器质量、升力系数和阻力系数偏差条件和目标机动条件下混合制导方法是有效的,且与一般预测-校正制导方法比较,混合制导策略在制导精度、在线预测时间等方面具有优势。 研究了雷达对常规再入弹道和滑翔式再入弹道的跟踪效果。基于Unscented卡尔曼滤波和考虑气动模型的目标跟踪模型,加入雷达测量噪声,计算目标跟踪误差,比较不同形式弹道的跟踪效果。仿真结果表明,滑翔式再入弹道由于其机动特性,相对弹道式再入在突破雷达跟踪上具有优势。 论文拓展了飞行器轨迹优化数值方法的研究范畴,探索了再入制导方法的新思路,引入了智能控制领域的新方法,具有一定理论意义;同时,研究充分结合高超声速滑翔式再入飞行器的应用背景,基于理论研究成果分析其再入弹道特点与性能,对发展未来新型高超声速滑翔式再入飞行器具有重要借鉴意义。