升力体飞行器能量近似最优倾斜转弯飞行策略

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1、2016年11月北京航空航天大学学报November2016第42卷第11期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．11http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0613升力体飞行器能量近似最优倾斜转弯飞行策略杨丁1’2，刘明1’2一，杨凌霄2，杨明1”，葛亚杰2(1．国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073；2．空

2、间物理重点实验室，北京100076)摘要：升力体飞行器返回地球大气层内时受到热流、动压及过载等约束条件，为使得飞行器在倾斜转弯飞行过程中能量损失最小，需要研究一种能量最优的倾斜转弯机动飞行策略。本文的主要研究内容包括：从再入动力学模型出发，分析了升力体飞行器倾斜转弯的弹道特性，推导了终端速度与倾斜转弯幅度相关的解析解，提出了一种多约束条件下能量近似最优的倾斜转弯飞行策略；为进一步验证飞行策略的能量近似最优性，建立了能量最优的非线性轨迹优化模型，通过高斯伪谱法进行求解，获得能量最优的飞行轨迹。仿真结果表明，该飞行策略

3、与优化方法获得的结果高度一致，并且该方法求解效率更高，工程应用性更强。关键词：升力体飞行器；近似最优飞行策略；倾斜转弯机动；最优控制；高斯伪谱法中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)11-2540-08不同于传统轴对称再人飞行器，升力体飞行器通常为面对称外形，具备较高的升阻比，其中，美国通用空天飞行器(CAV)。1-2]就是典型的高升阻比升力体飞行器。升力体飞行器在返回大气层内时，相比传统惯性轨迹，其利用高升阻比气动特性可进行大范围的倾斜转弯机动飞行，从而适应飞行器再入后返场

4、点的灵活选择。飞行器在大气层内飞行过程中通过气动升力的倾斜实现转弯机动，受到气动阻力的作用持续减速，而当返场点确定的情况下，需调整飞行器的速度方向指向返场点，随后直线飞行完成返场任务，因此，飞行器通过倾斜机动使得速度方向指向返场点时对应的速度最大即倾斜转弯过程中能量损失最小是判断能否完成返场任务的关键点，规划满足驻点热流、过载及动压等多约束条件下能量最优的倾斜转弯飞行轨迹非常有意义。针对倾斜转弯过程中能量损失最小问题，文献[3]在考虑动压、过载及热流密度等过程约束下，采用常值升阻比假设，获得了倾斜转弯转(BTT)弯

5、半径等运动参数的解析关系，文献[4]分析了倾斜转弯的基本原理和控制特性；文献[5-11]分别采用遗传算法、直接法加序列二次规划法、高斯伪谱法对升力式飞行器再入机动轨迹进行了优化，为本文选择高斯伪谱法作为最优控制问题的优化求解方法提供了参考；文献[12]提出几何控制方案来解决再入飞行器的倾斜机动飞行问题。基于以上研究基础，从倾斜转弯的基本原理出发，推导给出能量最优的转弯机动策略，进一步采用优化算法进行仿真验证。本文选取CAV为研究对象，考虑力、热等飞行过程约束，建立了飞行器动力学模型和高度一速度飞行走廊模型；基于升力

6、体飞行器倾斜转弯基本原理和准平衡滑翔假设，推导获得了倾斜转弯终端速度与升阻比、倾侧角及终端弹道偏角的解析关系，提出了能量近似最优的倾斜转弯机动飞行策略；最后，建立了能量最优的非线性轨迹优化问题模型，采用高斯伪谱法获得了终端能量最优轨迹。仿真结果表明本文所提飞行策略与优化方法获得的结果高度一致，并且具有更高的计算效率。收稿日期：2016．07-20；录用13期：2016-．08-10；网络出版时间：2016_08—3115：28网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．201

7、60831．1528．003．html$通讯作者：Tel．：010-88523261E-mail：liumingbuaa@163．corn引用格式：杨丁，刘明，杨凌霄，等．升力体飞行器能量近似最优倾斜转弯飞行策略rJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(11)：2540—2547．YANGD。LIUM，YANGLX，eta1．Energysuboptimalflightstrategyofbank-to·turnmaneuverforliftingvehicle[JJ．JournalofBeijingUnive

8、rsityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(J1)：2540—2547(inChinese)·第11期杨丁，等：升力体飞行器能量近似最优倾斜转弯飞行策略z54l1数学模型日>日‰。cy，=吾·n(≤豢而)c5，1．1动力学模型为研究升力体飞行器大气层内再人倾斜转弯的弹道特性和规律，假设地球为均质无旋圆球，飞行器采用倾斜