亚轨道飞行器能量管理段轨迹设计

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1、http：#hkxb．buaa．edu．onhkxb@buaa．edu．CB亚轨道飞行器能量管理段轨迹设计臧希恒*，胡永太西安飞行自动控制研究所，西安710065摘要：亚轨道飞行器(SRLV)通过跟踪特定的轨迹来实现对能量的控制与管理，轨迹设计是能量管理的一项关键技术。深入研究了亚轨道飞行器能量管理段(TAEM)轨迹的设计思想、准则和流程；提出了一种基于待飞距离规划动压剖面的轨迹设计方法，通过调整航向调整段的动压剖面，保证飞行器以亚声速状态进入航向调整段，避免飞行器转弯超调；提出了采用顺风作为轨迹设计的缺省状态，保证

2、飞行器在严重的逆风状态下仍然可以满足着陆窗口约束；通过具体算例进行仿真分析，验证了设计方法的有效性。关键词：亚轨道飞行器；能量管理段；轨迹设计；能量走廊；动压剖面中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一$99—07亚轨道飞行器(SuborbitalReusableLaunchVehicle，SRLV)是一种在亚轨道空间飞行，可重复使用的多用途跨大气层飞行器[1]。SRLV完整的飞行过程可以分为上升段、滑行段和返回段。其中返回段又可以分为初期返回段、能量管理段(Termina

3、lAreaEnergyManagement，TAEM)和进场着陆段。TAEM段是再人返回的关键阶段，通过气动舵面进行能量的管理与控制，消除初期再人结束时的能量偏差和位置偏差，使飞行器在相对任意的能量状态下都达到自动着陆窗口要求，以合理的速度、姿态和位置进场着陆。能量管理段飞行过程可以分为S转弯段、捕获段、航向调整段和着陆预备段，如图1所示，HAC(HeadingAlign-mentCone)为航向校准圆锥。无动力飞行的特点决定了TAEM段SRLV不能像常规的有动力飞行器一样，实现自由飞行，只能通过跟踪特定的轨迹来实现

4、对能量的控制，图1能量管理段(TAEM)飞行剖面Fig．1Terminalareaenergymanagement(TAEM)flightprofile保证飞行安全。TAEM轨迹设计的关键是如何在满足航程和约束条件的同时规划动能和势能的变化。国内外学者针对TAEM段轨迹设计做了一定的研究工作[2{]。文献E2]针对航天飞机能量管理段的制导和控制方案进行了研究；在航天飞收稿日期：2016—04—21；退修日期：2016—05—13；录用日期：2016—05—27；网络出版时间：2016—06—1214：16网络出版地址

5、：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160612．1416．016．html*通讯作者．Tel．：029—88398294E-mail：zangxiheng@163．corn寻I角格武s减希恒。葫永太．亚轨道飞行器能t管理段孰迹设甘EJ]．航空学报。2016．37(SI)：S99．105÷ZANGXH．HUYT．TrajectorydesignforterminalareaenergymanagementofsuborbitalreusablelaunchvehiclefJ7．

6、ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016．37(S1)：S99-S105S100航空学报Dec．252016V01．37No．s1机雎3的基础上，文献[3—9]针对TAEM轨迹设计方法展开了研究。文献[3—4]针对通过轨迹递推的方法给出了可重复使用运载器TAEM段以及下滑着陆段的轨迹设计方法；文献E5J总结了可重复使用运载器TAEM段导航、制导与控制技术的需求；文献[6—8]研究了可重复使用运载器的在线轨迹规划设计方法；文献[-9-]给出了一种基于优化迭代的TAEM轨迹设计方法

7、。文献[10]应用最优控制方法设计了无动力飞行器的着陆轨迹。本文在上述研究工作的基础上，着重研究面向工程应用的TAEM轨迹设计方法，并探讨TAEM轨迹设计的策略、方法、准则和流程。1质点动力学方程为了进行TAEM段轨迹设计，由基于时间微分的质心动力学方程(如式(1)所示)推导基于待飞距离的动力学方程，实现动压与待飞距离建立联系。』mV—qSrefc。一mgsiny(】)l优Ⅵ=qS，。{CL—mgcosy式中：m为质量；V为空速；百为动压；S耐为参考面积；C。为升力系数；CD为阻力系数；g为重力加速度；)，为轨迹倾角

8、。将V一~／西历代入式(1)，质心动力学方程由原先的(V，y)描述改为(石，)，)描述：降睁盅一峰msln71／石一倦]⋯卜盎2sin(盟TIt一半)【7)，＼虿，式中：h为高度；10为大气密度。根据f寿一(d孑／／dS)(dS／dt)，¨I，=(dT／dS)(dS／dt)将对时间的微分转化为对待飞距离的微分可得基于待飞距离的质心动力学方程为悟