高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法.pdf

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1、2015年8月第41卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2015V01．41No．8http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0023高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法胡锦川，陈万春4(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：针对已知攻角和倾侧角的高超声速飞行器平衡滑翔再入问题，提出了满足纵向加速度变化率最小

2、的平稳滑翔弹道概念，并给出了平稳滑翔弹道设计方法．首先采用正则摄动的方法对高度动态微分方程进行求解，获得了精度较高的平稳滑翔高度、弹道倾角和纵向加速度解析解．然后对平稳滑翔弹道的动态特性进行了分析，结果表明该弹道具有自然稳定性和弱阻尼性．进一步给出了弹道振荡的自然频率和阻尼表达式，其中自然频率仅与速度相关，而阻尼则与速度和纵向升阻比相关．最后，通过比较高度偏差的比例反馈、微分反馈和比例+微分反馈3种方案，得出纯微分反馈是实现平稳滑翔的最佳方案，并给出了定阻尼微分反馈系数的表达式．仿真校验表明：该方案具有控制平滑、弹道振荡收敛速度快

3、及鲁棒性好等特点．关键词：平稳滑翔弹道；解析解；正则摄动；动态特性；自然频率；微分反馈中图分类号：V221+．3；TB553文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)08—1464—12平衡滑翔的概念最早由Sanger提出，指的是纵向受力近似平衡的一种飞行状态．平衡滑翔是再人的一种重要飞行模式⋯，具有高度变化平缓、热流密度和动压峰值小、攻角和倾侧角曲线光滑等优点，被广泛地应用于再入制导旧⋯．由于再入弹道对控制变量高度敏感，在弹道优化时往往难以获得平衡滑翔弹道”⋯，同时再入过程中的各种扰动也容易使得弹道偏离平衡滑翔状态，

4、从而出现弹道振荡．因此，为了使高超声速飞行器在再人过程中保持平衡滑翔，不仅需要获得平衡滑翔参考弹道，还需在飞行过程中抑制扰动带来的弹道振荡．在航天飞机再人制导律中，Harpold和Graves嵋1采用阻力速度曲线来规划平衡滑翔参考弹道，并通过配置阻力动态系统的自然频率和阻尼来跟踪阻力曲线．平衡滑翔条件是研究平衡滑翔问题的重要假设，它通过忽略平衡滑翔弹道倾角变化率的影响，将纵向运动微分方程转化为了代数方程．Bell∞o利用该条件获得了平衡滑翔再入弹道的解析解；Chapman，Wingrove和Etkin"圳则利用平衡滑翔条件分析了再

5、入弹道的动态特性，并提出以高度差及高度一阶导数差的负反馈来抑制弹道振荡；Shen和Lu¨叫则利用平衡滑翔条件将再人高度走廊转化成为了倾侧角走廊；Yu和Chen¨1。则分析了给定攻角和倾侧角曲线的平衡滑翔弹道倾角；乔清青和陈万春‘1引则在此基础上采用奇异摄动法获得了滑翔段的最优中制导．尽管平衡滑翔条件在分析平衡滑翔弹道的特性上取得了很多的成果，但它并不能积分获得平衡滑翔参考弹道，这是由于实际的再人弹道倾角并非常数．Zhang和Chen013]在改进的平衡滑翔条件中，加入了坡度率的影响，通过规划坡度率来获得平衡滑翔弹道，但它获得的攻角

6、曲线变化范围较大．本文在传统平衡滑翔概念的基础上，通过分析给定攻角曲线和倾侧角曲线再入弹道族的特点，提出以纵向加速度导数的平方的积分来衡量收稿日期：20154)1—12；录用日期：20154)2-05；网络出版时间：20154)2—1514：31网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150215．1431．001．html作者简介：胡锦川(1986一)，男，湖南岳阳人，博士研究生，yuhang—hu@126．con+通讯作者：陈万春(1964一)，男，北京人，教授，wanchun—

7、chen@buaa．edu．ca，主要研究方向为飞行力学、制导与控制5l甩格式：胡锦j11．陈万春．高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法e1]．北京航空航天大学学报，2015．41(8)：1464—1475．HuJC，ChenWC．Steadyglidetrajectoryplanningmethodforhypersonicreentryvehicle【J1．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(8)：1464—1475(inChinese)．

8、第8期胡锦川，等：高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法1465弹道的平滑程度，并以此为基础定义了平稳滑翔弹道．然后对平稳滑翔弹道的解析解和弹道动态特性进行了分析，从而获得了快速生成平稳滑翔弹道的方法．1动力学模型为了便于理论分析，假设地球为非旋转均质