垂直起降火箭末段定点着陆的制导控制方法研究

发布时间：2023-04-26 21:31

　　降低发射成本向来都是一个值得每个航天人去努力的方向。而随着美国Space X公司近年来在一子级火箭回收上取得的巨大成就,火箭发射成本的大幅削减成为可能。Space X公司的成功证实了火箭可重复使用的可行性,可以说可回收火箭技术是必然的发展趋势。火箭返回末段的定点软着陆是火箭回收过程中的关键一环。动压减小、大气干扰的增强与着陆点严苛的末端约束增加了制导控制设计的难度。本文针对火箭返回末段垂直软着陆这一问题,设定了一个具体场景,即实现一个飞行高度大约为3000米的火箭的垂直软着陆。论文的具体工作主要包括:第一,对垂直软着陆火箭的精确动力学建模。考虑地球自转和扁率在着陆坐标系下建立火箭的质心动力学方程,在箭体坐标系下建立火箭绕质心转动运动方程,结合火箭的执行机构分析了火箭受到的力与力矩,为后文的设计奠定了基础。第二,综合考虑箭载计算机的计算性能以及着陆的精度需求,利用四次多项式制导实现了火箭的垂直软着陆,并通过仿真进行了验证。通过蒙特卡洛仿真验证了存在大气扰动、风力影响、火箭自身性能偏差条件下制导律的性能,并基于仿真结果为大气减速段提供了一个合理的末端约束。通过蒙特卡洛仿真结果给出了在初始位...

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状分析
        1.2.1 垂直起降运载器研究现状
        1.2.2 垂直着陆段制导方法研究现状
        1.2.3 垂直着陆段控制方法研究现状
    1.3 本文研究内容
第2章 垂直着陆火箭动力学模型
    2.1 引言
    2.2 坐标系定义及坐标转换
        2.2.1 坐标系定义
        2.2.2 坐标转换
    2.3 垂直着陆火箭执行机构
    2.4 垂直着陆火箭运动数学模型
        2.4.1 质心运动模型
        2.4.2 绕质心转动运动模型
        2.4.3 绕质心转动动力学方程
        2.4.4 作用在火箭上的力和力矩
    2.5 本章小结
第3章 垂直着陆的四次多项式制导
    3.1 引言
    3.2 积分型的最优控制问题描述
    3.3 垂直着陆的四次多项式制导
    3.4 指令姿态角与指令推力求解
    3.5 制导仿真分析
        3.5.1 仅存在位置、速度偏差下的仿真
        3.5.2 不同初值的蒙特卡洛仿真
        3.5.3 初值确定的可达区域蒙特卡洛仿真
    3.6 本章小结
第4章 定点着陆姿态控制
    4.1 引言
    4.2 姿态控制模型
    4.3 基于滑模干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制器设计
        4.3.1 滑模干扰观测器设计
        4.3.2 终端滑模控制器
        4.3.3 非奇异快速终端滑模控制器设计
    4.4 姿态系统仿真分析
    4.5 本章小结
第5章 垂直定点着陆制导控制联合仿真
    5.1 引言
    5.2 制导控制6DOF仿真
        5.2.1 无干扰条件的6DOF仿真
        5.2.2 有干扰条件的6DOF仿真
    5.3 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢



本文编号：3802222