可重复使用运载器再入预测校正制导与控制系统设计

发布时间：2020-09-09 10:51

　　可重复使用运载器(RLV,Reusable Launch Vehicle)作为新一代空天运输系统,已成为世界强国的研究重点。其高速度、大航程及强机动性给RLV再入制导与控制系统提出了新的要求。基于此背景,本文主要开展了RLV再入制导与控制系统设计工作。首先,介绍了最新公开的HORUS-2B飞行器模型,给出了具体的气动参数模型。建立了完整的六自由度数学模型,该模型中考虑了地球自转的影响。对于姿态控制算法和制导方法设计需要,又给出了其对应的简化模型。接着,采用Backstepping控制方法设计了RLV姿态控制系统。基于非线性干扰观测器技术有效提高了姿态控制系统的鲁棒性。对于反作用控制系统(RCS,Reaction Control System)与气动舵面复合控制问题,设计了一种简单有效的控制力矩分配方法。仿真试验验证了姿态控制系统的有效性,满足RLV姿态控制要求。然后,针对高升阻比RLV设计了一种再入预测校正制导方法。采用二次函数模型对倾侧角幅值进行参数化设计,有效提高了再入制导的性能。为了提高制导方法对轨迹约束抑制能力,对常规的准平衡滑翔条件进行了改进。针对再入后期准平衡滑翔飞行特性降低的情况下,设计了一种反馈修正的方法,进一步提高了制导方法的过载抑制能力。最后,为了保证RLV成功完成再入段飞行任务,设计了两种制导与姿态联合系统方案。第一种采用预测校正制导与姿态控制系统直接联合控制。第二种方案,首先采用预测校正制导快速规划出一条三维再入轨迹,然后设计轨迹控制算法完成轨迹跟踪任务。两种方案的有效性都通过仿真试验得到了验证。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V448
【部分图文】：

飞行器,美国商业,公司,航天飞机

航空器的完美融合体。它即可像普通航天器一样时间滞留于轨道，完成入轨和在轨飞行任务后，入大气层后，又可像常规航空器一样滑翔飞行，程、强机动和高可靠等优势，使得 RLV 已成为国总体技术、气动技术、复合材料技术、结构与强度技术和机载计算机技术等尖端应用技术[1]，集中体前除了第一代 RLV 航天飞机已经投入实际应用外紧锣密鼓地研制当中，美国已针对 RLV 所涉及到如：X-33、X-34、X-51、HL-20 和追梦者等飞行飞行器的设计定位是以火箭发动机为动力的新一代原计划在 2015 年取代航天飞机。1999 年，美国制导与控制研究计划（Advanced Guidance and Co能力好、鲁棒性强的先进制导技术发展。最后由但 X-33 的相关技术已远远超过了传统的航天飞机

气动布局,控制系统研究,防热材料,技术储备

图 1.2 追梦者号 RLV的 RLV 技术研究相对较晚，上个世纪 80 年代我国也一号”的相关验证工作，但当时由于技术储备和科研 21 世纪以来，我国在 RLV 方面进行了大量的研究，会相继启动了“空天飞行器的若干基础问题”、“近空研究计划[2]，开展了气动布局、防热材料、推进系统在 2030 年之前，设计并制造完成中国首架可水平起飞“腾云工程”。义、快速反应、灵活机动、超强突防、可重复使用、高都具有超强的应用前景，目前已成为世界上各航空航控制系统研究是 RLV 众多关键技术中的一项，制导控的品质。开展高可靠性、高精度和强鲁棒的再入段制际意义。

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南京航空航天大学硕士学位论文，但是也极具挑战性。特性和复杂的飞行空域，使得 RLV 对于姿态控复杂。首先，RLV 飞行状态变化剧烈，气动参数，纵横向模态耦合严重，使得 RLV 动态系统表现气密度稀薄，气动舵面操纵效率明显减弱[1]，为联合控制，复杂的控制模式也加剧了 RLV 姿态控难以准确测量，再加上 RLV 自身的未建模动态以的动态不确定对象特征，极大影响了飞行器姿态再入段姿态控制研究十分迫切且具有极高的挑

【参考文献】