再入飞行器动力学特性分析与控制方法研究

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1、中图分类号：V448.22+1UDC分类号：629.7再入飞行器动力学特性分析与控制方法研究作者姓名王亚飞学院名称宇航学院指导教师于剑桥教授答辩委员会主席申请学位级别工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchonDynamicsAnalysisandControlMethodsofaReentryVehicleCandidateName:WangYafeiSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:P

2、rof.YuJianqiaoChair,ThesisCommittee:DegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015再入飞行器动力学特性分析与控制方法研究王亚飞2015年6月研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中

3、除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要再入飞行器是一类由人类发射的，从外太空返回大气层内以完成工作目标的飞行器。再入弹头、飞船返回舱等均属于再入飞行器。再入飞行器以其极高的商业价值和军事价值，成为目前各国科学研究的重点。由于其研制涉及多个学科领域且研究难度大，因此再入飞行器的发展水平代表着一个

4、国家的科技发展水平，是国家综合实力的体现。本文以单滑块变质心控制再入机动弹头为研究目标，对变质心再入飞行器动力学与控制中的若干关键技术问题进行了研究。单滑块变质心再入飞行器是一类典型的多体系统，且具有气动和结构的不对称性，因此其动力学模型十分复杂。本文首先基于动量定理及动量矩定理建立了单滑块变质心再入飞行器的完整运动模型，该模型虽然可用于七自由度有控刚体弹道仿真，但由于维数过高，因此难以采用解析方法对飞行器的运动特性进行分析。针对这一问题，本文在完整运动模型的基础上，通过引入经典欧拉角，建立了基于经典欧拉角的五维角运动模型。该模型极大

5、地降低了动力学模型的复杂性，从而为进一步的动力学特性分析工作打下了基础。采用经典欧拉角作为状态变量的系统角运动模型仍具有强非线性、强耦合性的特点，难以使用成熟的线性系统理论进行分析。对此，本文采用非线性分析方法，对变质心再入飞行器的开环姿态动力学特性展开了研究。文中首先证明了再入飞行器角运动的对称性，从而将问题的分析限制在较小的区间范围内。然后采用数值算法得到了姿态运动的平衡点。为了分析系统参数对平衡点数值的影响，通过对模型进行合理的简化得到了系统参数与平衡点之间的近似解析表达式。仿真结果表明，该近似解析表达式在小章动角条件下可以较好

6、地吻合数值解，从而极大地方便了平衡点的计算与分析。稳定性是动力学系统最重要的定性性态之一，本文根据李雅普诺夫第一法，对系统平衡点的局部稳定性问题进行了仿真分析。结果表明，再入飞行器存在多组稳定平衡状态，飞行初始条件不同时，飞行器的角运动会发散或收敛于不同的平衡点或极限环。这些稳定平衡状态中，既包括配平攻角附近的期望飞行状态，也包括大章动角或高转速等不利于飞行控制的状态。通过进行数值仿真，文中得到了各吸引子的吸引域分布规律，并据此提出了使飞行器从不期望的稳定飞行状态中解锁的方法。分岔分析方法在非线性系统的分析中具有广泛的应用，本文将其应

7、用在了再入飞行器姿态动力学特性的研究中。使用MATCONT软件，对再入飞行器非线性运动中的I北京理工大学博士学位论文极限点分岔与Hopf分岔问题进行了分析。此外，通过对比不同的弹体结构参数和气动参数条件下系统分岔图的变化规律，得到了最大稳定偏移距离与系统参数之间的关系，从而为系统参数的优化设计提供了依据。单滑块变质心再入飞行器是通过滚转通道的控制实现弹道机动飞行的。滚转自动驾驶仪是实现再入飞行器滚转姿态控制的有效手段。本文根据滚转通道的传递函数模型，分别采用标准系数法及主导极点配置方法，设计了双回路自动驾驶仪的控制参数，取得了较好的控

8、制效果。滚转控制器的引入改变了系统的非线性角运动特性。通过对闭环系统进行分岔分析，发现滚转自动驾驶仪的引入改变了平衡点的稳定性，提高了系统的最大稳定转速边界。此外，文中还采用轨迹线性化方法设计了再入飞行器的滚转控制器，仿