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动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

冯玥 王容顺 梅映雪 孙洪飞 吴了泥

冯玥, 王容顺, 梅映雪, 等 . 动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1503-1513. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0519
引用本文: 冯玥, 王容顺, 梅映雪, 等 . 动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(8): 1503-1513. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0519
FENG Yue, WANG Rongshun, MEI Yingxue, et al. Reentry trajectory planning for range-extended hypersonic vehicles with boosters[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1503-1513. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0519(in Chinese)
Citation: FENG Yue, WANG Rongshun, MEI Yingxue, et al. Reentry trajectory planning for range-extended hypersonic vehicles with boosters[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(8): 1503-1513. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0519(in Chinese)

动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0519
基金项目: 

国家自然科学基金 61673327

详细信息
    作者简介:

    冯玥  女,博士研究生。主要研究方向:飞行器自适应控制、轨迹规划

    王容顺  男,硕士研究生。主要研究方向:飞行器自适应控制

    吴了泥  男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:飞行器控制技术

    通讯作者:

    吴了泥, E-mail:wuliaoni@xmu.edu.cn

  • 中图分类号: V412.4+1;V448

Reentry trajectory planning for range-extended hypersonic vehicles with boosters

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61673327

More Information
  • 摘要:

    为研究飞行过程中的动力装置启动时刻及燃料消耗情况,对轨迹进行优化,进而提出一种动力增程型弹道的再入模式。推导Sanger弹道的解析解,分析得到高超声速飞行器再入航程最优所必须的迎角及初始速度取值条件等相关前提,利用该结论设计动力装置的启动方式使航程最远、燃料利用率最大。将轨迹设计为Sanger弹道和拟平衡滑翔弹道相结合的混合弹道:再入前期利用助推器间隔点火的方式形成等高类周期跳跃弹道以保证足够远的航程; 再入后期采用拟平衡滑翔弹道,将最优控制问题转化为复杂多约束非线性规划问题,性能指标综合考虑了轨迹平滑和航程。仿真实现了所提出的动力增程型再入弹道; 并在燃料充足、弹道倾角取值合适的条件下,得到“打水漂”弹道形式,该弹道能量损失极慢,具有足够远的飞行能力。仿真表明,与不同点火方式及求解方法得出的弹道相对比,所提动力增程型再入弹道具有3.47~3.84倍的航程、1.04~1.18倍的末端动能以及4.47~15.79倍的燃料利用率。

     

  • 图 1  再入弹道

    Figure 1.  Reentry trajectory

    图 2  动力增程型弹道再入模式

    Figure 2.  Range-extended trajectory reentry mode

    图 3  动力增程型弹道再入模式流程图

    Figure 3.  Flowchart of range-extended trajectory reentry mode

    图 4  高度、推力随时间的变化

    Figure 4.  Variations of altitude and thrust changing with time

    图 5  速度随时间的变化

    Figure 5.  Variation of velocity changing with time

    图 6  迎角随时间的变化

    Figure 6.  Variation of angle of attack changing with time

    图 7  过程约束随时间的变化

    Figure 7.  Variations of process constraints changing with time

    图 8  不同飞行模式下高度、推力随时间变化的对比

    Figure 8.  Comparison of variations of altitude and thrust changing with time under different flight modes

    表  1  助推器点火消耗的燃料

    Table  1.   Fuel consumed by booster ignition

    点火次数 消耗燃料/kg
    第1次 456.9
    第2次 30.6
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    表  2  动力增程型再入弹道的基本参数

    Table  2.   Basic parameters of range-extended reentry trajectory

    飞行模式 航程/km 飞行时间/s
    再入前期 54 157.5 6 929.8
    再入后期 43 924.9 6 467.3
    再入全程 98 082.4 13 397.1
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    表  3  不同飞行模式下助推器点火消耗的燃料对比

    Table  3.   Comparison of fuel consumed by booster ignition under different flight modes

    弹道形式 第1次点火消耗燃料/kg 第2次点火消耗燃料/kg 第3次点火消耗燃料/kg 第4次点火消耗燃料/kg 剩余量/kg
    弹道1 456.9 30.6 32.5
    弹道2 188.5 165.9 155.6 0
    弹道3 160.7 150.2 141.4 47.7 10
    弹道4 166.7 166.7 166.6 10
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    表  4  不同飞行模式下弹道参数对比

    Table  4.   Comparison of trajectory parameters under different flight modes

    弹道形式 航程/km 末端速度/(m·s-1) 飞行时间/s
    弹道1 54 157.5 7 809.9 6 929.8
    弹道2 14 540.4 7 150.4 1 345.9
    弹道3 15 589.1 6 639.1 2 245.9
    弹道4 14 110.2 7 537.4 1 889.8
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-24
  • 录用日期:  2019-11-01
  • 网络出版日期:  2020-08-20

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