飛行器再入走廊設(shè)計(jì)與分析,飛行器,再入,走廊,設(shè)計(jì),分析 飛行器再入走廊設(shè)計(jì)與分析 答辯人：王應(yīng)超專業(yè)：自動(dòng)化 指導(dǎo)老師：石國(guó)祥：題目：飛行器再入走廊設(shè)計(jì)與分析w指導(dǎo)思想：航天飛行器從大氣層外返回地球時(shí)，初始再入時(shí)本身就具有很高的速度，且再入過(guò)程中其巨大的勢(shì)能還要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。這種情況下若不對(duì)飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行控制，使其飛行狀態(tài)約束在熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、飛行器的過(guò)載和動(dòng)壓所允許的條件下，則飛行器很可能難以安全返回。飛行器再入過(guò)程中要滿足的熱流、動(dòng)壓、過(guò)載和擬平衡滑翔條件約束共同限制了再入軌跡的可行范圍，將再入軌跡限制在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，即形成所謂的再入走廊。再入走廊能夠非常直觀地勾畫出滿足飛行約束條件的上下邊界，可以清楚的看出由飛行約束數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化得到的飛行走廊邊界圖形，它對(duì)開(kāi)展再入軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)律設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。w目的要求：(1)建立再入飛行約束的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)對(duì)熱流、過(guò)載和動(dòng)壓三類約束進(jìn)行數(shù)學(xué)描述；(2)推導(dǎo)擬平衡滑翔條件的數(shù)學(xué)模型；(3)討論再入走廊剖面描述方式，將熱流、過(guò)載、動(dòng)壓三類約束數(shù)學(xué)模型和擬平衡滑翔條件轉(zhuǎn)換成再入走廊邊界的形式，分析上下邊界性質(zhì)；(4)對(duì)再入走廊范圍進(jìn)行分析，給出各種約束值與氣動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)對(duì)再入走廊造成的影響。研究背景與意義w再入高超聲速飛行器的概念是隨著實(shí)施空間攻防對(duì)抗、空天作戰(zhàn)的要求而提出的。隨著攔截技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈防御系統(tǒng)正逐步升級(jí)，具備陸、海、空、天“四維一體”的防御能力，對(duì)彈道導(dǎo)彈助推段、中段、末段都具有摧毀能力。因此導(dǎo)彈的突防與生存能力面臨極大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)全球到達(dá)、全球精確打擊等任務(wù)要求的提出，也迫切地需要建造一種可以從本土發(fā)射的，遠(yuǎn)距離、機(jī)動(dòng)靈活的精確制導(dǎo)武器；因此，有必要發(fā)展一種射程遠(yuǎn)、精度高、機(jī)動(dòng)靈活的新概念武器。傳統(tǒng)的彈道導(dǎo)彈具有射程遠(yuǎn)、飛行速度快、威力大等優(yōu)點(diǎn)，但是機(jī)動(dòng)能力很差，容易進(jìn)行導(dǎo)彈攔截；而飛航導(dǎo)彈雖然具有快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)靈活、打擊精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是射程很小，難于滿足要求。在這種指導(dǎo)思想下，結(jié)合在軌飛行器再入時(shí)的高超聲速特性以及升力體式飛行器再入大氣時(shí)能滑翔飛行、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出了空間武器作戰(zhàn)平臺(tái)的概念?；枋侵妇哂猩w結(jié)構(gòu)的再入飛行器，通過(guò)氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)航程的非彈道機(jī)動(dòng)再入飛行的過(guò)程。天基再入高超聲速飛行器，是指飛行器從空間武器作戰(zhàn)平臺(tái)上發(fā)射再入大氣，然后滑翔機(jī)動(dòng)飛行，并最終完成對(duì)地面目標(biāo)點(diǎn)的打擊任務(wù)。就目前來(lái)看，助推-滑翔再入飛行器的滑翔級(jí)就屬于這個(gè)類型。這種基于天基作戰(zhàn)平臺(tái)，對(duì)地實(shí)施精確打擊的飛行器，即天基再入高超聲速飛行器，適應(yīng)了全球快速打擊與高效突防需求，必將是未來(lái)武器發(fā)展的一個(gè)重要的方向。再入大氣層的過(guò)程，飛行時(shí)間較長(zhǎng)，飛行速度較高、并且需要機(jī)動(dòng)飛行。由于大氣的作用，使得再入飛行器的局部會(huì)急劇聚熱，從而飛行環(huán)境極其復(fù)雜這就使得飛行器再入大氣進(jìn)行制導(dǎo)時(shí)需要充分考慮熱流、過(guò)載、動(dòng)壓等約束。主要技術(shù)指標(biāo)w確定再入走廊應(yīng)充分考慮以下因素：(1)飛行器再入時(shí)氣動(dòng)加熱對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)的影響；(2)過(guò)載對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的影響；(3)動(dòng)壓對(duì)飛行器控制系統(tǒng)和側(cè)向穩(wěn)定性的影響；(4)飛行器再入時(shí)有充分的機(jī)動(dòng)能力以滿足控制系統(tǒng)的要求。再入走廊的邊界由上述四個(gè)因素對(duì)應(yīng)的駐點(diǎn)熱流、過(guò)載、動(dòng)壓和擬平衡滑翔條件構(gòu)成。飛行器再入走廊要根據(jù)各類條件約束具體值和給定飛行器氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。本文主要研究?jī)?nèi)容w 1綜述再入飛行器的發(fā)展歷史和研究背景。w 2建立高超聲速飛行器再入時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程；分析飛行器再入時(shí)可能會(huì)遇到的問(wèn)題與軌跡設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。分析與探討飛行器的再入過(guò)程中都受到哪些約束。w 3生成滿足各種約束的再入走廊并分析影響再入走廊形成的因素；并對(duì)其約束基于MATLAB 仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，完成飛行器再入走廊的設(shè)計(jì)。飛行器再入約束w再入約束條件：w再入軌跡受到過(guò)載約束、熱流約束、動(dòng)壓約束、滑翔段約束的限制。這些約束轉(zhuǎn)換到速度-高度坐標(biāo)系就形成了再入走廊。w 過(guò)載約束 為了保證飛行器的結(jié)構(gòu)不遭受破壞并且保證飛行器的機(jī)動(dòng)性，需要對(duì)飛行器的過(guò)載加以限制。一般彈箭類飛行器都是對(duì)法向過(guò)載進(jìn)行約束，而本文的飛行器為升力體機(jī)動(dòng)再入飛行器，可能產(chǎn)生較大的過(guò)載，影響飛行器的結(jié)構(gòu)安全。過(guò)載約束是指在飛行器的再入過(guò)程中，受飛行器結(jié)構(gòu)限制其總過(guò)載要小于給定值，如果定義最大允許總過(guò)載為 即 熱流約束w高超聲速飛行器過(guò)高的速度會(huì)導(dǎo)致熱流過(guò)大，有可能會(huì)燒壞飛行器的表面，駐點(diǎn)是飛行器加熱較為嚴(yán)重的區(qū)域，在飛行走廊設(shè)計(jì)時(shí)通常以駐點(diǎn)熱流作為約束條件。再入飛行器再入大氣時(shí)，其單位表面在單位時(shí)間里積累的熱量應(yīng)該小于最大值。在駐點(diǎn)處產(chǎn)生的熱流可由下式給出：式中 常數(shù)，其值是；駐點(diǎn)處飛行器錐頭的有效半徑，取 R=0.1m；大氣密度(kg/km)；V 速度(m/s)。假設(shè)設(shè)定的最大熱流為q,則熱流約束條件可表示為：動(dòng)壓約束w在飛行力學(xué)問(wèn)題中，動(dòng)壓是最重要的特征量之一，所有氣動(dòng)力和力矩都與動(dòng)壓成比例。高超聲速飛行器采用空氣舵面對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行控制，為了不使所需的鉸鏈力矩過(guò)大保證飛行器的可操縱性，應(yīng)該對(duì)動(dòng)壓加以限制。w動(dòng)壓的計(jì)算公式為 單位是 ，若最大動(dòng)壓為 ，則動(dòng)壓約束條件可以表示為 滑翔段約束w上述幾種約束是由飛行器總體參數(shù)以及任務(wù)要求決定的，這些是“硬約束”，必須要嚴(yán)格滿足。平衡滑翔約束是一種考慮飛行器控制能力的“軟約束”，理想的再入軌道應(yīng)該是無(wú)跳躍現(xiàn)象且軌道傾角變化平滑。但在實(shí)際再入過(guò)程中，飛行器的再入軌道會(huì)出現(xiàn)振蕩型跳躍現(xiàn)象。為減少這種跳躍，即保證飛行器不再跳出大氣層。當(dāng)航跡角很小的時(shí)候，它的導(dǎo)數(shù)也幾乎為零，即，cos 1和 0，在忽略地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)可以得出無(wú)量綱式平行滑翔條件約束為：w這個(gè)約束稱為“近似平衡滑翔條件”。其中為恒定傾斜角。由于在再入軌道的主要部分地球自轉(zhuǎn)影響很小且飛行路徑角也很小，近似平衡滑翔條件可以近似地表示真實(shí)的飛行路徑角運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。再入走廊的形成和分析 w已經(jīng)提到了再入軌跡的各種約束條件。其中過(guò)載約束、熱流約束、動(dòng)壓約束還有滑翔段形成再入軌跡的許可范圍，即再入走廊。再入走廊的上邊界是指航天器在各種約束下，最平緩的飛行軌跡。它對(duì)應(yīng)著最長(zhǎng)的航程和最大的總加熱量。再入走廊的下邊界是指航天器在各種約束條件下，最陡的飛行軌跡。它對(duì)應(yīng)著最短的航程及最大的氣動(dòng)加熱峰值。其中過(guò)載約束、熱流約束、動(dòng)壓約束必須嚴(yán)格執(zhí)行，稱為“硬約束”。滑翔段約束則稱為“軟約束”。w前文已經(jīng)提到，忽略地球自轉(zhuǎn)的情況下，再入走廊邊界的數(shù)學(xué)模型如下要想確定再入飛行器的再入走廊，首先需要確定再入時(shí)的控制量攻角曲線。攻角的選取滿足：確定攻角曲線后，將公式轉(zhuǎn)換到高度-速度剖面內(nèi)，就可以的得到飛行走廊圖仿真圖。再入走廊的仿真和分析 約束值分別取的是 n=4,q=1780 kw/m,P=200kpa。從圖中，可以看到近似平衡滑翔條件形成了軌跡的上邊界，而過(guò)載、動(dòng)壓、熱流約束形成軌跡的下邊界。為了分析各個(gè)因素對(duì)再入走廊的影響，在攻角曲線相同的情況下，再取一組數(shù)據(jù) n=3,q=1500 kw/m,P=100kpa，進(jìn)行仿真，仿真如下圖從圖中很明顯可以看到，在天基高超聲速飛行器進(jìn)入大氣層的初始階段，熱流約束為再入走廊下邊界主要約束，且隨著最大熱流的升高，會(huì)拓寬再入走廊的下邊界；在高度下降到 30km 左右往下，過(guò)載和動(dòng)壓約束對(duì)下邊界起主要約束，二者的變化趨勢(shì)相同，都會(huì)隨著最大允許值的增大而拓寬再入走廊的下邊界；再入走廊的上邊界依然是近似平衡滑翔條件確定，且隨著升力系數(shù)的增大，會(huì)拓寬上邊界。為了分析攻角對(duì)再入走廊的影響。在其他情況和第一組數(shù)據(jù)相同的情況下，對(duì)攻角曲線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在原有飛行器氣動(dòng)外形相同的情況下，恰當(dāng)進(jìn)行增減，可得方程如下：第二組 仿真圖如下：從2圖對(duì)比可知可知，攻角的提高會(huì)拓寬再入走廊的近似平衡滑翔邊界和過(guò)載邊界，使可飛行的區(qū)域增大；在相同的氣動(dòng)外形下，攻角越大，升力系數(shù)越大。D但是再入飛行器受到自身結(jié)構(gòu)和防熱性能的制約，攻角越大，引起的局部聚熱也越大；而攻角過(guò)小，再入走廊上邊界會(huì)變窄，甚至可能出現(xiàn)如圖 3-4無(wú)法形成走廊上邊界的情況。而由于法向過(guò)載的大小與攻角、升力系數(shù)和阻力系數(shù)都相關(guān)。其影響相對(duì)較為復(fù)雜，所以會(huì)出現(xiàn)減少攻角反而下邊界會(huì)被拓寬的情況。從整體上看，攻角的變化只會(huì)對(duì)過(guò)載和近似平衡滑翔邊界產(chǎn)生影響，而動(dòng)壓和熱流并沒(méi)有受到影響。所以平衡兩者選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ソ乔€，有利于再入飛行器的軌跡的生成。綜上，提高再入飛行器的極限過(guò)載、極限動(dòng)壓和防熱性能都可以拓寬再入飛行器的可飛行區(qū)域，即有利于再入軌跡的生成。恰當(dāng)提高飛行器再入的攻角，也可以拓寬天基再入飛行器的可飛行區(qū)域，有利軌跡的生成。