吸气式高超声速飞行器有限时间控制方法研究
发布时间：2021-08-17 10:14
吸气式高超声速飞行器因其高速度、大射程、快响应的特点,具有重大的军事价值与潜在的经济价值。但是,相较于传统飞行器,吸气式高超声速飞行器强非线性、气推耦合、参数不确定、静不稳定等特性都对其控制系统设计带来了巨大的挑战。因此,本文针对高超声速飞行器爬升段与巡航段的控制问题进行深入研究,重点解决:外界扰动抑制问题、执行机构故障容错问题、控制饱和抑制问题和跟踪误差性能与进气条件约束问题。主要研究内容包括:首先介绍了吸气式高超飞行器的几何构型、外形参数与飞行任务剖面,并定义所需坐标系及其转换关系,然后基于飞行动力学与空气动力学分别构建刚体动力学方程、飞行器各表面气动力与吸气式发动机模型。最后通过近似拟合,给出飞行器曲线拟合模型及相关参数,为后续章节控制系统设计奠定基础。为了解决吸气式高超声速飞行器:强非线性、静不稳定、气推耦合、参数摄动等诸多因素带来的控制难点,并有效抑制外界扰动影响,基于高阶滑模理论设计了一种自适应高阶超螺旋控制器。首先应用反馈线性化将飞行器模型转化为仿射非线性形式,并利用非线性反馈解决气推解耦问题;其次引入精确鲁棒微分器实时估计跟踪误差向量的导数信息,解决气动参数摄动问题;然...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
空间轨道Figure1-1Spaceorbit
第1章绪论-5-(a)载荷(b)运载器图1-3AHW项目的载荷与运载器Figure1-3PayloadandlaunchingvehicleofAHW2018年，在美国国防部的统筹部署下，美陆海空三军达成合作协议：以AHW项目验证的圆锥体构型方案为基础，依托“远程高超声速武器”（LRHW）项目、“常规快速打击”（CPS）项目和“高超声速常规打击武器”（HCSW）项目，分别开展陆射、潜射和空射型高超声速助推滑翔导弹的型号研制；以HTV-2项目研发的楔形构型方案为基础，依托“战术助推滑翔”（TBG）、“空射快速响应武器”（ARRW）和“作战火力”（OpFires）项目，开展空射/舰射型、空射型以及陆射型助推滑翔导弹型号研制与演示验证。（3）吸气式高超声速飞行器吸气式高超声速飞行器是以超燃冲压发动机为动力的一类高超声速飞行器。该类飞行器的主要应用前景是战术巡航导弹、察打一体无人飞行器与洲际快速运输飞机。该类飞行器的探索开始于1955年，早期主要开展超燃冲压发动机的相关技术研究工作。1984年，NASA提出了国家空天飞机（NationalAerospacePlane,NASP）发展计划，目的是设计氢燃料的单级入轨吸气式高超声速飞行器，代号X-30，但其仅停留在缩比模型研究阶段。在NASP计划取消后，Hyper-X计划在国家航空航天局统一管理、兰利研究中心牵头下备受军方关注，其目的为研究并验证可用于高超声速飞机和可重复使用天地往返系统的超燃冲压发动机技术与一体化设计技术。计划共分为四个型号的试飞器：X-43A~X-43D。X-43A采用乘波体外形，长3.66m、宽1.53m、高0.66m、质量1360kg。如图1-4(a)所示，X-43A采用全动式水平尾翼、双垂直尾翼作为控制面。迄今为止，X-43A共进行了三次飞行试验，其中2004年11月16日第三次试飞的任务剖面如图1-4(b)所示。X-43A首先由B-52B轰炸机携载自12km
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-(a)X-43A外形(b)X-43A第三次试验任务剖面图1-4X-43A外形与试验任务剖面Figure1-4OutsideviewofX-43AandtaskprofileofflighttestHyTech为美国空军于1995年提出的高超声速发展计划，用于发展碳氢燃料-主动冷却超燃冲压发动机技术，验证4~8Ma下发动机的可操作性、性能和结构耐久度。HyTech计划的验证机X-51A具有乘波体外形，长7.62m、最大宽度0.5842m、质量1788kg，设计性能为：巡航速度6~7Ma、最大射程约740km[22]。如图1-5所示，X-51A由固体火箭助推器、级间段与巡航飞行器组成，巡航飞行器长4.27m，质量682.2kg。X-51A共进行了四次飞行试验，2013年5月1日的第四次试验基本成功，X-51A首先由B-52H轰炸机携带自15.2km高空投放，然后助推器工作26s将飞行器加速至4.8Ma。与助推器分离后，超燃冲压发动机点火，动力飞行时间持续了240s，飞行器爬升至18km高空，速度达到5.1Ma，在发动机关机后，X-51A继续飞行约500s后坠海[23]。(a)X-51A与巡航飞行器外形
【参考文献】：
期刊论文
[1]2019年国外高超声速技术发展回顾[J]. 韩洪涛,王璐,郑义. 飞航导弹. 2020(05)
[2]国外高超声速飞行器发展历程综述[J]. 刘薇,龚海华. 飞航导弹. 2020(03)
[3]2019年国外高超声速飞行器技术发展综述[J]. 张灿,林旭斌,刘都群,胡冬冬,叶蕾. 飞航导弹. 2020(01)
[4]组合动力空天飞行器关键技术[J]. 唐硕,龚春林,陈兵. 宇航学报. 2019(10)
[5]俄罗斯新型高超声速打击武器研究[J]. 林旭斌,张灿. 战术导弹技术. 2019(01)
[6]基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究[J]. 杨志红,徐宝华,姚德清. 导航定位与授时. 2018(03)
[7]国外高超声速飞行器研究现状及发展趋势[J]. 姜鹏,匡宇,谢小平,张文广,彭奇峰,康宇航. 飞航导弹. 2017(07)
[8]高超声速飞行器模型及控制若干问题综述[J]. 张超凡,宗群,董琦,田栢苓,叶林奇. 信息与控制. 2017(01)
[9]吸气式高超声速飞行器控制的最新研究进展[J]. 吴立刚,安昊,刘健行,王常虹. 哈尔滨工业大学学报. 2016(10)
[10]美国加速高超声速打击武器实用化发展进程[J]. 胡冬冬,叶蕾. 飞航导弹. 2016(03)
博士论文
[1]高超声速飞行器巡航非线性控制技术研究[D]. 杨文骏.西北工业大学 2018
[2]吸气式高超声速飞行器轨迹跟踪控制方法研究[D]. 曹林.西北工业大学 2018
[3]高超声速飞行器跟踪控制方法研究[D]. 孙经广.哈尔滨工业大学 2018
[4]吸气式高超声速飞行器控制方法研究[D]. 安昊.哈尔滨工业大学 2017
[5]高超声速飞行器气动弹性建模与鲁棒变增益控制[D]. 逄洪军.哈尔滨工业大学 2016
[6]高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究[D]. 赵林东.北京理工大学 2015
[7]高超声速飞行器建模、分析与验证研究[D]. 张希彬.天津大学 2014
[8]弹性高超声速飞行器跟踪问题控制方法研究[D]. 王婕.天津大学 2014
[9]临近空间高超声速飞行器鲁棒变增益控制[D]. 葛东明.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]高超声速飞行器建模和控制[D]. 朱国梁.哈尔滨工业大学 2017
[2]高超声速飞行器机理建模及特性分析[D]. 申玉叶.天津大学 2014
[3]类HGB飞行器再入制导技术研究[D]. 董萌.哈尔滨工业大学 2014
[4]高超声速飞行器纵向动力学问题研究[D]. 王颂超.南京航空航天大学 2013
[5]临近空间高超声速飞行器的L1自适应控制[D]. 李晓红.哈尔滨工业大学 2012
[6]面向控制的高超声速飞行器一体化设计[D]. 张勇.南京航空航天大学 2012
本文编号：3347578
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：167 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
空间轨道Figure1-1Spaceorbit
第1章绪论-5-(a)载荷(b)运载器图1-3AHW项目的载荷与运载器Figure1-3PayloadandlaunchingvehicleofAHW2018年，在美国国防部的统筹部署下，美陆海空三军达成合作协议：以AHW项目验证的圆锥体构型方案为基础，依托“远程高超声速武器”（LRHW）项目、“常规快速打击”（CPS）项目和“高超声速常规打击武器”（HCSW）项目，分别开展陆射、潜射和空射型高超声速助推滑翔导弹的型号研制；以HTV-2项目研发的楔形构型方案为基础，依托“战术助推滑翔”（TBG）、“空射快速响应武器”（ARRW）和“作战火力”（OpFires）项目，开展空射/舰射型、空射型以及陆射型助推滑翔导弹型号研制与演示验证。（3）吸气式高超声速飞行器吸气式高超声速飞行器是以超燃冲压发动机为动力的一类高超声速飞行器。该类飞行器的主要应用前景是战术巡航导弹、察打一体无人飞行器与洲际快速运输飞机。该类飞行器的探索开始于1955年，早期主要开展超燃冲压发动机的相关技术研究工作。1984年，NASA提出了国家空天飞机（NationalAerospacePlane,NASP）发展计划，目的是设计氢燃料的单级入轨吸气式高超声速飞行器，代号X-30，但其仅停留在缩比模型研究阶段。在NASP计划取消后，Hyper-X计划在国家航空航天局统一管理、兰利研究中心牵头下备受军方关注，其目的为研究并验证可用于高超声速飞机和可重复使用天地往返系统的超燃冲压发动机技术与一体化设计技术。计划共分为四个型号的试飞器：X-43A~X-43D。X-43A采用乘波体外形，长3.66m、宽1.53m、高0.66m、质量1360kg。如图1-4(a)所示，X-43A采用全动式水平尾翼、双垂直尾翼作为控制面。迄今为止，X-43A共进行了三次飞行试验，其中2004年11月16日第三次试飞的任务剖面如图1-4(b)所示。X-43A首先由B-52B轰炸机携载自12km
哈尔滨工业大学工学博士学位论文-6-(a)X-43A外形(b)X-43A第三次试验任务剖面图1-4X-43A外形与试验任务剖面Figure1-4OutsideviewofX-43AandtaskprofileofflighttestHyTech为美国空军于1995年提出的高超声速发展计划，用于发展碳氢燃料-主动冷却超燃冲压发动机技术，验证4~8Ma下发动机的可操作性、性能和结构耐久度。HyTech计划的验证机X-51A具有乘波体外形，长7.62m、最大宽度0.5842m、质量1788kg，设计性能为：巡航速度6~7Ma、最大射程约740km[22]。如图1-5所示，X-51A由固体火箭助推器、级间段与巡航飞行器组成，巡航飞行器长4.27m，质量682.2kg。X-51A共进行了四次飞行试验，2013年5月1日的第四次试验基本成功，X-51A首先由B-52H轰炸机携带自15.2km高空投放，然后助推器工作26s将飞行器加速至4.8Ma。与助推器分离后，超燃冲压发动机点火，动力飞行时间持续了240s，飞行器爬升至18km高空，速度达到5.1Ma，在发动机关机后，X-51A继续飞行约500s后坠海[23]。(a)X-51A与巡航飞行器外形
【参考文献】：
期刊论文
[1]2019年国外高超声速技术发展回顾[J]. 韩洪涛,王璐,郑义. 飞航导弹. 2020(05)
[2]国外高超声速飞行器发展历程综述[J]. 刘薇,龚海华. 飞航导弹. 2020(03)
[3]2019年国外高超声速飞行器技术发展综述[J]. 张灿,林旭斌,刘都群,胡冬冬,叶蕾. 飞航导弹. 2020(01)
[4]组合动力空天飞行器关键技术[J]. 唐硕,龚春林,陈兵. 宇航学报. 2019(10)
[5]俄罗斯新型高超声速打击武器研究[J]. 林旭斌,张灿. 战术导弹技术. 2019(01)
[6]基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究[J]. 杨志红,徐宝华,姚德清. 导航定位与授时. 2018(03)
[7]国外高超声速飞行器研究现状及发展趋势[J]. 姜鹏,匡宇,谢小平,张文广,彭奇峰,康宇航. 飞航导弹. 2017(07)
[8]高超声速飞行器模型及控制若干问题综述[J]. 张超凡,宗群,董琦,田栢苓,叶林奇. 信息与控制. 2017(01)
[9]吸气式高超声速飞行器控制的最新研究进展[J]. 吴立刚,安昊,刘健行,王常虹. 哈尔滨工业大学学报. 2016(10)
[10]美国加速高超声速打击武器实用化发展进程[J]. 胡冬冬,叶蕾. 飞航导弹. 2016(03)
博士论文
[1]高超声速飞行器巡航非线性控制技术研究[D]. 杨文骏.西北工业大学 2018
[2]吸气式高超声速飞行器轨迹跟踪控制方法研究[D]. 曹林.西北工业大学 2018
[3]高超声速飞行器跟踪控制方法研究[D]. 孙经广.哈尔滨工业大学 2018
[4]吸气式高超声速飞行器控制方法研究[D]. 安昊.哈尔滨工业大学 2017
[5]高超声速飞行器气动弹性建模与鲁棒变增益控制[D]. 逄洪军.哈尔滨工业大学 2016
[6]高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究[D]. 赵林东.北京理工大学 2015
[7]高超声速飞行器建模、分析与验证研究[D]. 张希彬.天津大学 2014
[8]弹性高超声速飞行器跟踪问题控制方法研究[D]. 王婕.天津大学 2014
[9]临近空间高超声速飞行器鲁棒变增益控制[D]. 葛东明.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]高超声速飞行器建模和控制[D]. 朱国梁.哈尔滨工业大学 2017
[2]高超声速飞行器机理建模及特性分析[D]. 申玉叶.天津大学 2014
[3]类HGB飞行器再入制导技术研究[D]. 董萌.哈尔滨工业大学 2014
[4]高超声速飞行器纵向动力学问题研究[D]. 王颂超.南京航空航天大学 2013
[5]临近空间高超声速飞行器的L1自适应控制[D]. 李晓红.哈尔滨工业大学 2012
[6]面向控制的高超声速飞行器一体化设计[D]. 张勇.南京航空航天大学 2012
本文编号：3347578
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