可重复使用运载器再入数学建模

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1、2014年6月中国空间科学技术：。篁!塑曼垒!呈竺!呈垒壁垒竺呈量竺!呈呈竺呈垒垒垒!呈!垒呈皇!竺坚兰可重复使用运载器再人数学建模余光学1李昭莹1林平h2(1北京航空航天大学宇航学院，北京100191)(2北京航天自动控制研究所，北京100854)摘要针对可重复使用运载器(RLV)方案论证和初步设计阶段对模型的需求，提出了一种RLV再入概念设计，进行了数学建模研究。RLV采用翼身组合体的气动布局，包括左右升降副翼、方向舵和机体襟翼。对其无动力再入返回姿态控制，建立了反作用控制系统／气动舵复合控制数学模型。再入过程要经历自由分子流区、稀薄大气过渡流区

2、和连续流区，基于气动力的工程计算方法建立了这三个流区的RLV气动模型。控制特性分析与六自由度再入仿真表明，所设计的RLV控制模型具有与航天飞机轨道器一致的再入飞行特性，证明了数学建模的有效性，能够进一步用于RLV姿态控制的研究。关键词可重复使用运载器；再入；姿态控制；建模；反作用控制系统DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．03．0041引言可重复使用运载器(RLV)再入返回过程要跨越临近空间(NearSpace)，飞行包络大，依次经历自由分子流区、稀薄大气过渡流区和连续流区，其大攻角飞行时横侧向动态耦合严重，兼具航天飞

3、行器与航空飞行器的特点。国内外对RLV开展了广泛的气动研究，并进行了控制建模与布局优化设计[1{]。RLV跨临近空间高超声速飞行时，面临稀薄气体效应、高温效应与低密度效应等，要建立准确的气动模型很困难，主要有理论研究、风洞与飞行试验等手段。在概念设计阶段，工程计算方法能够快速准确地获得飞行器的气动[3]，便于迭代与优化RLV气动布局设计。RLV飞行状态的快速时变、强耦合、强非线性动力学特性给姿态控制带来了挑战n]，尤其是横侧向存在副翼反操纵现象[51；而且由于再人初期大气稀薄，气动舵面不足以完成姿态控制，需要引入反作用控制系统(RCS)，并需要考虑这

4、类飞行器的异类多执行机构复合控制[6]。此外，RLV控制模型还存在未建模动态、外界风场干扰和大气环境的扰动等各种不确定性，面向控制的RLV数学建模是一项综合的研究工作。在此，从姿态控制的角度，进行了RLV再入的概念设计数学建模研究，建立了RLV再人段的气动模型，按照航天飞机的控制策略进行了闭环仿真。结果表明，所建立的RLV控制模型具有与航天飞机轨道器一致的再入飞行特性，验证了RLV再人数学建模的有效性。2RLV气动布局设计2．1RLV气动外形RLV要实现可重复使用，必须满足再入返回过程的动压、过载和热流率等限制，这就要求飞行器具有较高的升阻比，通过升

5、力控制，使得飞行器再入大气后能够水平着陆。同时，要完成再人姿态与轨迹的控制，需配置操纵控制系统。国家自然科学基金(61174221)资助项目收稿日期：2013—08—22。收修改稿日期：2013一10-2224中国空间科学技术2014年6月作为典型的升力再入，RLV要满足低速、跨声速小攻角和高超声速大攻角的气动力、气动热要求，满足在轨道上和大气层内飞行所需的热防护要求，以及无动力再人飞行和着陆的气动性能、稳定性和操作性要求[7]。参考航天飞机与X-37B的气动布局，设计的RLV气动外形如图l所示，采用了翼身组合体布局，机翼是S形下单翼，在机翼的后缘配

6、置了左、右升降副翼；机身后下方配置了体襟翼，机身尾部配置了垂尾，飞行器是左右面对称的。左右升降副翼用于飞行器的俯仰和滚转控制，1-．▲一p，图1RLV气动外形Fig．1AerodynamicconfigurationoftheRLV当升降副翼差动时提供副翼控制功能，当升降副翼同时向上或向下偏转时提供升降舵功能。机体襟翼配置在机身的后下方，一方面用于保护机身尾部配置的轨道机动发动机，另一方面用于飞行器俯仰通道的配平与操纵。RLV采用大攻角再入飞行，方向舵处于机身的背风面，其有效的控制在末端能量管理段。因此，再人过程中，航向通道需要RCS参与控制。气动舵

7、面的偏转由舵回路来完成，其动态由二阶传递函数来模拟：GA。卜西葛Z赢s。十西。十(￡，：式中阻尼比}一0．7；∞。为自然角频率，对于升降副翼和机体襟翼，cc，。一90rad／s，对于方向舵，60。一70rad／S。左右升降副翼的舵面偏转范围均为±30。，方向舵的舵偏鼠偏转范围为±20。，机体襟翼的舵偏文偏转范围为[一20。，+30。]。2．2RCS布局为了完成轨道机动、精确定向和交汇对接等任务，RLV前部和尾部都会安装RCS，图2是其尾部RCS推力器的布局，再入返回需使用尾部RCS完成再人初期的姿态控制。在飞行器尾部相距为d的安装面S。、S：上各自配

8、置了8个推力器，箭头标出了各个推力器开启时的喷流方向，安装面S。的几何中心为0，飞行器质心为G，RCS布局满