考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计.pdf

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1、航空学报Jan．252013V01．34No．166-75ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000·6893ON11-1929／V一==============================================；http：／／hkxbbuaa，edu．Cnhkxb@buaa．educndoi：10．7527／S1000—6893．2013．0009考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计雍恩米*，钱炜祺，唐伟，冯毅中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川绵阳621

2、000摘要：为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能，针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量，基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数；耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量，获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标，以再入走廊、终端位置和速度为约束，求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出

3、禁飞圆半径越大，需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大，且再人轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性，该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。关键词：高超声速；气动特性；耦合设计；禁飞圆；拟平衡滑翔中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)01—0066—10对依靠气动力控制的升力式再入飞行器，当需要规避某些攻击区域或绕过地理障碍时，弹道规划往往要求实现较大的侧向或纵向机动。在飞行器方案设计阶段，由于这类无动力再人飞行器机动过载都来源于气动力，就可能出现已确定气动特

4、性的飞行器的升阻比等参数及相应的布局不能满足弹道规划要求的情况，此时就需要返回到布局与气动特性设计阶段，并反复迭代以达到飞行任务要求的高机动性能。另外，如果在方案设计阶段一味地提高升阻比等性能以提高机动能力，又有可能造成其他分系统，如热防护系统设计的负担过大。采用气动特性和弹道耦合设计可以有效解决上述问题，同时提高飞行器方案设计的效率，最佳化飞行器系统性能。文献[1]研究了火星大气一引力辅助平面变轨的气动外形和轨迹耦合设计问题，采用了多目标优化模型和粒子群优化算法，以最大日心系速度和大气飞行段最小热流密度为目标，获得了Pareto最优前沿。设计对

5、动力学模型进行了简化，即假设变轨过程的高度为常值。获得最优外形后，又进行精确的轨迹设计，以泛化升力系数为控制变量，且令变轨过程的侧倾角为零，采用多重打靶法得到最优变轨轨迹。文献[2]以从月球返回为背景，研究再入地球大气返回舱的气动布局和跳跃式弹道的耦合设计问题，以总热载最小和横程最大为优化目标。其中轨迹优化计算采用了美国Maryland大学的并行轨迹优化软件包。文献E3]以行星再人探测器为对象，研究了收稿日期：2012．01-21；退修日期：2012—03—26；录用El期：2012—04—15；网络出版时间：2012·06—2115：14网络出

6、版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929V20120621，1514．004．htmI*通讯作者．Tel．：0816—2467342E-mail：yongenmi一2004@sina．com引用掺武lYongEM，QianWQtTangW，eta1．CoupleddesignofmaneuvergUdereentrytrajectoryandaerodynamiccharacteristicpara-metersconsideringno．flyzone。ActaAeronauticaetAstronauticaSi

7、nica．2013．34(I)：66—75÷雍恿米。钱炜模．彦镛．等．考穗禁飞圆的滑翔武机动弹道与气动特性参数耦合设计．航空学报．2013．34(I)：66-75．雍恩米等：考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计气动热和纵向平面再入轨迹的耦合设计问题。文献F2]和文献[3]建立了较为精确的气动外形参数化模型和气动热计算模型，其再入轨迹设计模型较为简单。文献[43和文献Fs]研究了给定飞行器气动特性的规避禁飞圆的滑翔式机动再人弹道设计方法。文献[43基于伪谱法，将规避禁飞圆的再人轨迹设计问题转换为非线性规划问题求解。文献[5]研究了规避禁

8、飞圆的侧向几何制导逻辑，但形式较为复杂。文献[6]基于动态逆方法设计了滑翔式飞行器摆动式机动突防弹道。本文针对滑翔式再人飞行器需要绕过某