高超声速再入滑翔飞行器制导与非线性失稳研究

发布时间：2017-10-29 01:09

  本文关键词：高超声速再入滑翔飞行器制导与非线性失稳研究

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【摘要】：高超声速再入滑翔飞行器的飞行轨迹与弹道导弹相比,具有飞行高度低、飞行时间短、机动突防能力强和飞行轨迹不易预测的优点,能够更好地实现全球快速精确打击,因此再入滑翔飞行器近年来受到了极大的关注。然而,多次的高超声速飞行器试飞失败证明了高精度再入制导和高超声速飞行器大攻角飞行失稳问题是必须解决的基础科学问题。本文研究了高超声速滑翔飞行器再入制导问题和在大攻角飞行下的非线性失稳问题。针对再入制导特点,提出了三维平衡滑翔空间概念,并设计了自适应再入导引律。将分岔理论和连续算法引入到高超声速飞行器非线性动力学模型分析中,从全新的视角分析了大攻角飞行下飞行器纵向和横侧向非线性失稳问题,并结合动态逆控制器研究了具有时间延迟的闭环系统非线性动力学特性;最后基于连续算法从模型动力学特性差异出发,针对大包络飞行的强非线性高超声速飞行器动力学模型,完成了全局子模型划分。主要研究工作如下:(1)基于三维平衡滑翔空间的高超声速再入制导律设计将二维再入走廊扩展到了三维再入走廊,建立了高度-速度-攻角(H-V-?)和阻力-速度-攻角(D-V-?)三维再入走廊;同时基于平衡滑翔条件提出了一种满足路程约束的倾侧角-速度-攻角(?-V-?)三维平衡滑翔空间概念,该三维平衡滑翔空间可以有效地将路径约束(过载、热流和动压)转换为对控制变量(攻角和倾侧角)的约束。之后,将自适应比例导引律与三维平衡滑翔空间相结合,并引入了空间裕度的概念,设计了高超声速再入制导律,并通过仿真验证了制导律的自适应性和鲁棒性。(2)高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析针对高超声速飞行器大攻角纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解了多特征点单参数分岔图,并对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析;进一步分析了分支之间运动的滞后效应以及稳定平衡点的吸引域;结合高超声速飞行器大包线飞行特性,求解分析了双参数分岔,并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面,从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性;分析了单参数扰动和多参数组合扰动下动力学模型平衡分岔图的扰动变化,给出了最大的分岔突变区域,以及发生突变对应的攻角区间和舵偏角区间。(3)高超声速飞行器纵向闭环非线性动力学分析基于非线性动态逆和分阶控制思想,设计了非线性控制器,计算并得到了非线性闭环系统的全局特征根分布,结合闭环系统全局性能分析,检验了非线性控制器的有效性和较优的全局性能;对闭环系统进行了时间历程仿真,进一步验证了非线性控制器的有效性。之后,研究了忽略舵面气动力对闭环系统性能的影响,得出了忽略舵面气动力将对闭环系统稳态误差和角频率产生较大影响的结论;再者,研究了考虑舵面时间延迟对闭环系统性能的影响,研究发现随着时间常数的增大,闭环系统性能迅速下降;采用单参数和双参数连续算法进一步研究了在大时间常数下系统的分岔现象,发现了闭环非线性系统在大时间常数下存在霍夫分岔(Hopf),倍周期分岔(Period-Doubling),极限环极限点分岔(Limit Point of Circle),广义霍夫分岔(Generalized Hopf),极限环尖点分岔(Cusp Point of Circle)以及同宿分岔(Homoclinic)现象,并通过时间历程仿真发现了在大攻角倍周期分岔运动中存在混沌现象;最后给出了二维参数分岔图以及不同区域对应的运动规律和失稳改出策略。(4)高超声速飞行器大攻角横侧向非线性失稳分析针对高超声速飞行器大攻角横侧向失稳问题,采用连续算法和分岔理论,求解并分析了以俯仰舵偏为连续参数的稳态平衡分岔图和以副翼舵偏为连续参数的横侧向机动平衡分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析,并给出了五阶模型的特征根拓扑结构。研究表明,高超声速飞行器存在极限点分岔(Limit Point)、霍夫分岔(Hopf)以及叉型分岔(Branch Point),且从叉型分岔点延伸出多个平衡分支,引起横侧向的自滚转失稳;从Hopf分岔点延伸出极限环分支,该分支对应较为复杂的极限环运动,其中包含PD分岔、NS分岔、LPC分岔等复杂的分岔现象,同时还存在高频大幅值极限环现象;在横侧向机动情况下,存在横向操作偏离失稳问题以及多个不稳定平衡点问题。最后给出了失稳抑制和滚转机动的策略。(5)基于分岔理论的高超声速飞行器多特征模型研究采用连续算法求解高超声速飞行器非线性动力学模型的全局特征根空间结构分布,建立了特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,完成了基于动力学特性差异的多模型划分。首先,研究了纵向动力学模型的全包线特征根空间拓扑,根据特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,将纵向动力学模型划分为三个子模型;之后,研究了横侧向动力学模型的全包线特征根空间拓扑,即荷兰滚模态对应的特征根拓扑和滚转模态对应的特征根拓扑,根据建立的特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,将横侧向动力学模型划分为了六个子模型;最后,研究了五阶耦合动力学模型的特征根空间拓扑,并将五阶耦合动力学模型划分为了四个子模型。
【关键词】：高超声速飞行器 三维平衡滑翔空间 自适应再入导引律 连续算法 分岔突变 非线性失稳 闭环非线性特性 多模型
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 高超声速滑翔飞行器概念提出与发展现状13-16
• 1.3 再入制导技术发展综述16-19
• 1.3.1 再入制导律分类16-17
• 1.3.2 未来任务对再入制导要求17
• 1.3.3 标准轨迹制导17-18
• 1.3.4 解析预测-校正制导18
• 1.3.5 数值预测-校正制导18-19
• 1.3.6 实时最优反馈制导19
• 1.4 非线性飞行动力学与分岔理论综述19-23
• 1.4.1 飞行动力学线性分析方法20
• 1.4.2 基于分岔理论的非线性飞行动力学研究20-22
• 1.4.3 基于分岔理论的控制器设计与分析22-23
• 1.4.4 基于分岔理论的总体设计方法研究23
• 1.5 论文主要研究内容23-26
• 第2章 非线性飞行动力学与分岔理论26-48
• 2.1 引言26
• 2.2 非线性飞行动力学26-31
• 2.2.1 分岔飞行动力学26-27
• 2.2.2 飞行动力学中的突变现象27-28
• 2.2.3 飞行包线失稳区域28-30
• 2.2.4 高超声速飞行器空气动力学特性分析30-31
• 2.2.5 高超声速飞行器气动控制特性分析31
• 2.3 分岔突变理论31-46
• 2.3.1 连续算法32-35
• 2.3.2 突变理论35-46
• 2.4 本章小结46-48
• 第3章 基于三维平衡滑翔空间的再入制导律设计48-68
• 3.1 引言48
• 3.2 高超声速再入动力学模型48-50
• 3.3 三维再入走廊和三维平衡滑翔空间50-55
• 3.3.1 基于H-V-α和D-V-α空间的三维再入走廊50-52
• 3.3.2 在线获取二维再入走廊52
• 3.3.3 三维平衡滑翔空间52-53
• 3.3.4 在线获取σ-V再入边界53
• 3.3.5 不同升阻比三维再入走廊/平衡滑翔空间53-55
• 3.3.6 优势和应用分析55
• 3.4 基于三维平衡滑翔空间的自适应制导律设计55-66
• 3.4.1 再入导引律设计56-63
• 3.4.2 再入制导仿真分析63-66
• 3.5 本章小结66-68
• 第4章 高超声速飞行器纵向大攻角失稳分析68-86
• 4.1 引言68
• 4.2 纵向非线性动力学模型68-69
• 4.3 单参数平衡分支及特征根拓扑分析69-73
• 4.3.1 下压段结束点情况分析69-70
• 4.3.2 下压段起始点情况分析70-71
• 4.3.3 远程平衡滑翔点情况分析71
• 4.3.4 滑翔初始点情况分析71-72
• 4.3.5 特征根拓扑分析72-73
• 4.4 双参数分岔及三维分支曲面分析73-77
• 4.4.1 [5Ma-10Ma]区间分析73-74
• 4.4.2 [10Ma-15Ma]区间分析74-75
• 4.4.3 [15Ma-20Ma]区间分析75-76
• 4.4.4 三维分支曲面分析76-77
• 4.5 滞后运动与吸引域分析77-79
• 4.5.1 (5Ma 27Km)情况分析77-78
• 4.5.2 (15Ma 45Km)情况分析78-79
• 4.6 参数扰动非线性动力学特性分析79-85
• 4.6.1 单参数扰动分析79-84
• 4.6.2 多参数组合扰动分析84-85
• 4.7 本章小结85-86
• 第5章 高超声速飞行器纵向闭环非线性动力学分析86-110
• 5.1 引言86
• 5.2 反馈控制下的动力学特性分析86-91
• 5.2.1 非线性反馈控制器设计86-88
• 5.2.2 闭环系统全局特征根分析88
• 5.2.3 闭环系统全局性能分析88-90
• 5.2.4 闭环系统特征点时间历程仿真分析90-91
• 5.3 忽略舵面气动力的闭环动力学分析91-92
• 5.3.1 (5Ma 27Km)情况分析91
• 5.3.2 (15Ma 45Km)情况分析91-92
• 5.4 考虑舵面延迟影响的闭环动力学分析92-109
• 5.4.1 (5Ma 27Km)情况分析93-100
• 5.4.2 (15Ma 45Km)情况分析100-109
• 5.5 本章小结109-110
• 第6章 高超声速飞行器大攻角横侧向失稳分析110-134
• 6.1 引言110
• 6.2 五阶非线性动力学模型与失稳类型110-113
• 6.2.1 五阶非线性动力学模型110-111
• 6.2.2 失稳类型分析111-113
• 6.3 俯仰舵偏为连续参数分岔分析113-127
• 6.3.1 下压段结束点情况分析113-117
• 6.3.2 下压段起始点情况分析117-120
• 6.3.3 远程平衡滑翔点情况分析120-124
• 6.3.4 滑翔初始点情况分析124-127
• 6.4 横侧向机动平衡分支分岔分析127-132
• 6.4.1 (5Ma 27Km)情况分析127-130
• 6.4.2 (15Ma 45Km)情况分析130-132
• 6.5 失稳抑制与机动控制策略研究132-133
• 6.5.1 滚转失稳/多平衡点抑制策略132
• 6.5.2 高频大幅值极限环抑制策略132
• 6.5.3 横向操纵偏离失稳控制策略132-133
• 6.6 本章小结133-134
• 第7章 高超声速飞行器多特征模型研究134-146
• 7.1 引言134-135
• 7.2 纵向动力学模型多子模型研究135-137
• 7.2.1 全包线特征根空间拓扑结构135-136
• 7.2.2 多模型划分136-137
• 7.3 横侧向动力学模型多子模型研究137-142
• 7.3.1 全包线特征根空间拓扑结构137-139
• 7.3.2 多模型划分139-142
• 7.4 五阶耦合动力学模型多子模型研究142-144
• 7.4.1 特征根空间结构分析142-143
• 7.4.2 多模型划分143-144
• 7.5 本章小结144-146
• 第8章 总结与展望146-150
• 8.1 论文工作总结146-148
• 8.2 未来研究展望148-150
• 参考文献150-159
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况159-161
• 致谢161-162

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本文编号：1110734