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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
  • [1] 孙国庆, 杨大光.再入航天器返回过程简介[J].科技创新导报, 2011(18):88. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kjzxdb201118076

    SUN G Q, YANG D G.Brief introduction of reentry spacecraft reentry process[J].Science and Technology Innovation Herald, 2011(18):88(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kjzxdb201118076
    [2] SANGER E, BREDT J.A rocket drive for long range bombers[M].HAMERMESH M, translated.Washington D. C.:Technical Information Branch, Navy Department, 1994:108-135.
    [3] LU P.Reentry guidance trajectory control for reusable launch vehicle[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1997, 20(1):143-149.
    [4] 卢宝刚, 傅瑜, 崔乃刚, 等.基于拟平衡滑翔的数值预测再入轨迹规划算法[J].哈尔滨工业大学学报, 2015, 47(1):14-19. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hebgydxxb201501003

    LU B G, FU Y, CUI N G, et al.Numerical prediction method of reentry trajectory planning based on quasi equilibrium glide condition[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2015, 47(1):14-19(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hebgydxxb201501003
    [5] 张科南.基于坡度率的再入飞行器在线轨迹规划[J].战术导弹技术, 2015(5):24-29. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zsddjs201505005

    ZHANG K N.On-board trajectory planning for reentry vehicle based on slope rate[J].Tactical Missile Technology, 2015(5):24-29(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zsddjs201505005
    [6] RAO A V, MEASE K D.Entry trajectory tracking law via feedback linearization[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1998, 21(5):726-740. http://cn.bing.com/academic/profile?id=6a7f31545ea08eaa91fa573fcf2ee98f&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [7] ELANGAR G N, KAZEMI M A.Pseudospectral Chebyshev optimal control of constrained nonlinear dynamical systems[J].Computational Optimization and Applications, 1998, 11(2):195-217. http://cn.bing.com/academic/profile?id=af9c5fe190dc3fb692a9ce9f1d0fa47a&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [8] 呼卫军, 卢青, 常晶, 等.特征趋势分区Gauss伪谱法解再入轨迹规划问题[J].航空学报, 2015, 36(10):3338-3348. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkxb201510014

    HU W J, LU Q, CHANG J, et al.Reentry trajectory planning method based on Gauss pseudospectral with characteristics of trend partion[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(10):3338-3348(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkxb201510014
    [9] 雍恩米.高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究[D].长沙: 国防科学技术大学, 2008: 48-68.

    YONG E M. Study on trajectory optimization and guidance approach for hypersonic glide-reentry vehicle[D].Changsha: National University of Defense Technology, 2008: 48-68(in Chinese).
    [10] 宋超, 黎志强, 刘旭.考虑航路点的飞行器再入轨迹优化与仿真[J].航空计算技术, 2019, 49(1):19-23. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkjsjs201901005

    SONG C, LI Z Q, LIU X.Reentry trajectory optimization and simulation of aircraft with waypoints considered[J].Aeronautical Computing Technique, 2019, 49(1):19-23(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkjsjs201901005
    [11] 杨鹏宇, 齐瑞云, 郭小平.故障下高超声速飞行器再入在线轨迹重构[J].战术导弹技术, 2017(4):73-81. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zsddjs201704011

    YANG P Y, QI R Y, GUO X P.On-line trajectory reconfiguration for reentry hypersonic vehicle under failures[J].Tactical Missile Technology, 2017(4):73-81(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zsddjs201704011
    [12] CARTER P H, PINES D J, RUDD L V.Approximate performance of periodic hypersonic cruise trajectories for global reach[J].IBM Journal of Research and Development, 2000, 44(5):703-714.
    [13] 蔺君, 何英姿, 黄盘兴.基于改进分段Gauss伪谱法的带推力高超声速飞行器再入轨迹规划[J].控制理论与应用, 2019, 36(9):1662-1671. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kzllyyy201910010

    LIN J, HE Y Z, HUANG P X.Powered hypersonic vehicle reentry trajectory optimization based on improved multi-phase Gauss spectral method[J].Control Theory & Applications, 2019, 36(9):1662-1671(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=kzllyyy201910010
    [14] VINH N X.Optimal trajectories in atmospheric flight[M].Amsterdam:Elsevier Scientific Publishing Co., 1981:47-75.
    [15] 郑伟, 汤国建.弹道导弹自由段解算的等高约束解析解[J].宇航学报, 2007, 28(2):269-272. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yhxb200702006

    ZHENG W, TANG G J.Contour restricted analytical solution for free flight trajectory of ballistic missile[J].Journal of Astronautics, 2007, 28(2):269-272(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yhxb200702006
    [16] EGGERS A J J, ALLEN J H, NEICE S E.A comparative analysis of the performance of long-range hypervelocity vehicles: NACA-1958-1382[R].Washington, D.C.: NACA, 1958.
    [17] TIMOSHENKO S, YOUNG D H.Advanced dynamics[M].New York:McGraw-Hill Company, 1948:106-190.
    [18] 雍恩米, 陈磊, 唐国金.飞行器轨迹优化数值方法综述[J].宇航学报, 2008, 29(2):397-406. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yhxb200802002

    YONG E M, CHEN L, TANG G J.A survey of numerical methods for trajectory optimization of spacecraft[J].Journal of Astronautics, 2008, 29(2):397-406(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=yhxb200802002
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-24
  • 录用日期:  2019-11-01
  • 刊出日期:  2020-08-20

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