高超声速临近空间飞行器跳跃飞行轨迹优化

以高超声速临近空间飞行器的连续跳跃飞行为研究对象,建立了其纵平面运动模型和弹道优化模型,在考虑攻角值、攻角变化率、法向过载、动压、热流及落地条件等约束下,利用遗传算法对一个飞行周期的跳跃飞行轨迹进行优化,并给出了燃料消耗率最小的飞行轨迹.最后与常值稳态巡航飞行进行比较分析.结果表明,连续跳跃飞行可以大量减少燃料消耗.     

基于坡度率的再入飞行器在线轨迹规划

为了实现再入飞行器轨迹快速生成,提出了一种在线轨迹规划方法。利用改进的拟平衡滑翔条件,提出了坡度率的概念。通过设计坡度率,可获得不同航程的纵平面弹道。为了加大航程的调节范围,在基于坡度率的纵向轨迹规划方法基础上,引入了倾侧角,同时规划坡度率和倾侧角可以获得较大范围的航程覆盖区。飞行器航程跟坡度率、倾侧角、初始航向误差角、飞行时间存在对应关系。离线计算若干条不同工况的轨迹并存盘,当给定新的目标点时,只需计算出目标点距离初始点的航程和目标视线角,通过插值得到所需的坡度率、倾侧角、航向误差角和飞行时间,然后利用轨迹积分,能够快速获得一条完整的三自由度轨迹。仿真表明,利用本文的方法,生成一条实际飞行时间2000 s的再入轨迹,只需要0.2 s左右,极大地提高了在线轨迹设计效率。     

基于改进标称轨道法的再入轨迹设计

对航天飞机标准轨道法进行改进,在更新部分D-V剖面、更新整个D-V剖面的基础上,提出第3种剖面更新的方法,以下简称修正标准飞行剖面参数法。该方法在考虑当前飞行时刻的瞬间,平移整个标准飞行剖面,以满足航程要求;采用轨道跟踪控制技术跟踪标准飞行剖面,使得实际航程逼近标准航程;该方法不更新D-V剖面,降低了算法的复杂性,减少计算量并具有较高的制导精度。基于该方法对NASA马歇尔空间飞行中心研究的空天飞行器模型进行再入轨迹设计,仿真结果表明,该方法获得的轨迹不仅能满足过载、热流和动压等过程约束及终端约束,并且轨迹光滑,无跳跃,具备一定的工程应用价值。     

火箭基组合循环高超声速飞行器爬升-巡航全局轨迹优化研究

研究火箭基组合循环(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)高超声速飞行器爬升-巡航全局轨迹优化问题。结合飞行器任务剖面和RBCC发动机特点,给出了飞行轨迹的分段准则,并对各段的特点和难点进行分析。为解决同时优化巡航高度、马赫数、飞行攻角以及发动机节流阀开度的难题,提出一种"粒子群优化算法+伪谱法"的嵌套优化策略。针对该策略,建立了轨迹优化数学模型,在模型求解过程中全面考虑RBCC发动机性能与飞行状态的耦合及动压、过载、热流密度等约束。结果表明,RBCC高超声速飞行器在30km、马赫数为6.5的巡航状态下爬升-巡航全局轨迹燃料最省,且优化所得轨迹满足各约束要求。     

基于拟平衡滑翔的再入轨迹快速规划方法

针对高超声速飞行器多约束条件下的再入轨迹规划问题,提出了一种基于拟平衡滑翔条件的三维再入轨迹快速规划方法;该方法充分利用滑翔式高超声速飞行器的再入飞行过程中的拟平衡滑翔条件,将过程约束转化为对倾侧角的约束;纵向轨迹规划采用直接规划倾侧角的方法,在倾侧角约束空间中利用内插的方法得到倾侧角剖面;侧向规划采用横程约束走廊确定倾侧角的反转时刻;最后,对该轨迹规划方法进行了算例分析,结果表明：该轨迹规划方法能够在满足各种过程约束和终端约束的情况下快速完成再入轨迹规划。     

最小动压约束下的全程轨迹优化设计方法

针对在包括最小动压约束在内的多约束飞行条件下的机动飞行器轨迹优化问题,建立了利用hp自适应伪谱法的飞行器轨迹优化问题求解方法.仿真分析了在无动力飞行时,最小动压约束对各状态变量的影响以及在最小动压约束下,不同分离点参数对飞行轨迹产生的影响.为提高飞行器性能指标,提出一种利用伪谱法的主动段和无动力段全程轨迹联合优化设计方...     

基于热响应特性的高速飞行器多约束轨迹优化

在高速飞行器轨迹设计中,以驻点热流和总加热量为表征的传统热约束形式未能真实反映飞行器的动态热响应过程,存在约束表征不合理和过约束的缺陷。针对该问题,在传统飞行力学研究范畴的基础上,通过热环境近似拟合和热响应方程形式变换,建立包含热响应模型的高速飞行器增广动力学模型。对增广动力学模型进行热响应特性测试,结果表明在满足多约束条件下,采用跳跃飞行模式相较于平衡飞行模式可显著降低高速飞行器的内壁温度。最后使用自适应Radau伪谱法对多约束条件下的内壁温度优化问题进行研究。结果表明,相较于最佳升阻比攻角平衡飞行方案,优化设计得到的跳跃轨迹可将内壁温度降低78.4 K（降低13.97%）,优化效果明显,实现预期目标。     

基于轨迹优化的返回式滑翔飞行器最小航程影响因素分析

为使返回式滑翔飞行器实现最小航程,对最小航程影响因素进行了探讨,主要包括初始状态、终端终态、质量规模、约束条件等。以类CAV-H返回式滑翔飞行器为研究对象,建立了空间运动的坐标体系和运动学模型,给出了飞行约束体系,通过伪谱法和序列二次规划等方法进行轨迹优化。仿真结果表明:适中的初始高度有利于实现最小航程;为了实现最小航程,飞行器需要保持接近最大升阻比攻角去做三维空间机动飞行;适当减小初始速度能获得比较可观的最小航程;初始倾角可取小量负值,能在高效获得航程最小的同时兼顾热流密度;初始航向角适当偏离标称航向时,有利于获得最小航程;为了实现最小航程,在不同初始条件下需要合理地选择返回角/末端航向角;适中的滑翔终端高度有利于实现最小航程;适当增加或减轻飞行器质量有利于实现最小航程;放宽约束条件有利于最小航程的实现。通过基于轨迹优化的返回式滑翔飞行器最小航程影响因素分析,可以指导最小航程的设计与实现。     

风干扰引起的飞行器附加攻角和附加侧滑角计算方法

研究了标称无侧滑飞行基础上受到水平风干扰时的飞行器附加攻角和附加侧滑角计算方法,完善了导弹与运载领域长期、广泛使用的传统的简化计算公式,修正了最大附加攻角和附加侧滑角出现条件的工程经验。提出了标称无侧滑飞行基础上受到水平风干扰时的飞行器附加攻角和附加侧滑角计算方法、水平风方向任意时附加攻角和附加侧滑角最大和最小值计算方法、倾侧角任意时附加攻角和附加侧滑角最大和最小值计算方法、水平风方向和倾侧角均任意时附加攻角和附加侧滑角最大和最小值计算方法,这些方法比航天传统方法使用范围更广、更准确,数值算例验证了其正确性。     

基于倾侧角反馈控制的预测校正再入制导方法

针对升力式高超声速飞行器再入滑翔制导问题,提出了一种基于倾侧角反馈控制的预测校正制导方法。该算法不依赖于传统的准平衡滑翔条件（QEGC）,能够抑制再入滑翔飞行过程中产生的周期性轨迹震荡现象。纵向制导采用落点预测与指令校正相结合的方法,通过设计倾侧角反馈控制律对飞行器的高度变化率进行实时修正;侧向制导兼顾考虑横程误差和航向角误差对制导指令的影响,设计了一种基于归一化误差走廊的倾侧角反转逻辑,实现了飞行器的侧向运动控制。CAV-H高超声速飞行器制导仿真实例表明, 该制导方法有效地抑制了再入滑翔轨迹的周期性震荡,导引飞行器完成平稳再入飞行。Monte Carlo仿真验证表明,在多种扰动和误差存在的情况下,该制导方法具有良好的鲁棒性。     

空速投放的机载飞行器初始地速和姿态确定方法

对于空速投放的机载飞行器，一方面由于弹道设计采用的模型基于地速，需将载机给出的投放初始空速转换成初始地速；另一方面，载机投放飞行器时要保持稳定平飞，遇到侧风干扰时，需进行偏流角修正，以保证载机沿着理论航迹线飞行。根据空速投放的机载飞行器特点，从载机速度、姿态的定义出发，基于侧风干扰下的载机偏流角修正思想，推导并建立投放时刻飞行器初始地速和姿态的计算模型。该模型具有简单实用、便于工程实现的特点，可广泛应用于机载飞行器的投放初始参数解算。     

可重复使用助推飞行器轨迹优化研究

在充分调研国内外轨迹优化方法的基础上,针对可重复使用助推飞行器飞行过程中有一段大攻角飞行且期间还需进行一次大角度翻转的飞行模式,以俯仰角为最优控制量,采用直接打靶法和序列二次规划法,选择速度作为过渡量,将分离点至再入结束点的飞行过程分为调姿转弯段和再入段进行优化.分析了过渡速度和分离点处弹道倾角的取值,得到了较为合理的过渡速度和分离点处弹道倾角的取值范围,进行了该飞行过程的全段轨迹优化.仿真结果表明本文给出的优化策略能较好地获得一条满足约束条件的优化轨迹.     

一种连续波系统测速时间误差的自适应修正方法

提出一种针对连续波测量系统测速数据时间不对齐误差的自适应修正方法.在多源信息融合处理解算飞行器轨迹时,将连续波测速数据的时间误差作为待估参数求解.建立飞行器轨迹参数和时间误差的联合求解模型,采用分步优化法给出飞行器轨迹参数和连续波系统中各单台设备的时间误差估计值.实验结果表明:测速数据修正后,匹配程度明显优于修正前,飞行器轨迹参数的计算精度得到显著提高.     

某种飞行器运动学轨迹建模与仿真

针对大型联合作战仿真系统需求,建立某种飞行器运动学仿真轨迹模型。讨论了射击诸元(射击方位角、俯仰程序角、初始装订参数等)的确定方法,建立了在射击平面上的飞行器主动段运动学方程组和末速修正飞行段的关机方程,推导出由平台误差分离系数到飞行器飞行主动段终点偏差的误差传递关系,然后利用椭圆轨迹理论将主动段终点偏差折算为落点偏差,并完成了轨迹数据由发射坐标系向地心大地直角坐标系的转换关系模型。仿真计算结果与飞行试验数据比对一致性好,证实了该方法的可行性。     

再入飞行器多约束预测-修正末导引律研究

为了保证再入飞行器以期望倾角和速度准确投放载荷,利用终端倾角约束下的滑模变结构控制进行实时弹道预测,通过速度修正指令实现飞行器的机动减速,以达到期望的投弹倾角和速度。分别计算了目标点位于13km和3km高度时的飞行轨迹及飞行参数。对仿真结果的对比分析表明:采用倾角约束导引律时,飞行器终端倾角满足期望的-30°,但是其终端速度分别为1 550m/s和1 450m/s,远高于期望的1 200m/s;采用倾角-速度多约束导引律时,终端倾角和速度均达到了期望水平,而且攻角、倾斜角以及各向过载均满足限制条件;多约束预测-修正导引律更有利于再入飞行器准确投放载荷。     

多约束条件下的升力滑翔式再入轨迹优化

结合多约束再入飞行任务,以升力式再入飞行器为研究对象,给出完整的弹道优化模型,研究弹道优化数值解法,并采用高斯伪谱法进行求解计算,得到满足相应约束条件的再入飞行轨迹。仿真结果表明,高斯伪谱法能够求解此类多约束飞行轨迹优化设计问题,并具有较好的效果。     

基于注意力机制的高超声速飞行器LSTM智能轨迹预测

临近空间高超声速飞行器具有非惯性轨迹形式和大范围、强机动的突防能力,对目标飞行轨迹的准确预测能够为反导拦截系统有效拦截提供有力技术支持。针对高超声速飞行器的滑翔式和跳跃式飞行轨迹预测问题,提出一种基于注意力机制的Seq2Seq轨迹预测模型,利用LSTM网络设计编码器和解码器,同时利用注意力机制提取的信息进行解码预测。该网络以目标轨迹的位置、速度、弹道倾角和攻角六维特征序列作为输入网络,网络输出为未来一段时间内的连续轨迹序列,利用弹道仿真模型获得的目标飞行器轨迹数据作为训练集对网络进行训练与优化。实验结果表明,该网络能够对高超声速飞行器的多种飞行轨迹进行有效的轨迹预测,预测误差小,能够为反导拦截系统提供有利参考。     

CZ-2E火箭高空风弹道修正

高空风引起的气流攻角对火箭飞行中的气动载荷和飞行环境有较大的影响,这种影响有时可造成火箭飞行失败。为尽可能地改善火箭的飞行条件,在弹道考虑上,可采用降低飞行中气流攻角的弹道设计方案－以高空弹弹道修正法来降低飞行中的气流攻角,主要介绍高空风弹道修正的原理和方法方法以及相关的计算模型。     

基于伪谱法的空天飞行器上升段非线性闭环最优制导算法

针对具有过程约束和终端状态约束的大气层内空天飞行器上升段制导问题,给出了一种基于伪谱法的固定采样非线性实时最优制导算法,通过连续在线计算开环最优控制的方式提供闭环反馈。针对闭环最优制导过程中首次轨迹优化时的初始猜测问题,提出了采用运载火箭真空段飞行最优上升轨迹作为大气层内最优上升轨迹的初始猜测,改进了初次轨迹优化的初始猜测过程中,直接采用伪谱法进行计算导致的计算速度过慢的缺点。仿真结果表明,该实时最优制导算法能有效地抑制飞行过程中不确定性和扰动的影响。     

前置量导引法中前置角的选择方法

前言在三位置导引法中,前置量法较三点法有明显的优点,它使得导弹飞行轨迹变得平直,从而降低了导弹在机动飞行时所需提供的法向加速度。本文介绍一种实用的前置角选择原则,并对其提出一些改进的想法。