可重复使用运载器再入数学建模-论文.pdf

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1、2014年6月中国空间科学技术第3期ChineseSpaceScienceandTechnology可重复使用运载器再人数学建模余光学李昭莹林平(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(RIV)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

2、薄大气过渡流区和连续流区，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：10．378o／j．issn．1000—758X．2014．03．0041引言可重复使用运载器(RLV)再人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

3、攻角飞行时横侧向动态耦合严重，兼具航天飞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I1]。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L4]，尤其是横侧向存在副翼反操纵现象；而且由于再人初期大气稀薄，气动舵面不足以

4、完成姿态控制，需要引入反作用控制系统(RCs)，并需要考虑这类飞行器的异类多执行机构复合控制]。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再人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人飞行特性，验证了RLV再人数学建模的有效性。RLV气动布局设计2．1RLV气动外形RLV要实现可重复使用，必须满

5、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，通过升力控制，使得飞行器再人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(6l174221)资助项目收稿日期：2013-0822。收修改稿日期：2013—10—222O14年6月中国空间科学技术3RLV非线性运动建模3．1六自由度再入数学模型RLV再人过程中，消耗的燃料相比飞行器自身的质量要小得多，因此忽略RCS因燃料消耗而引起飞行器质量特性的改变，认为飞行器质量M、质心位置和转动惯量是不变的。同时不考虑飞

6、行器存在的弹性振动，采用地球圆球模型并考虑地球白转角速率的影响进行再人运动建模，用于控制系统设计与闭环仿真验证。设a，，分别为攻角、侧滑角和倾侧角；P，q，r分别为滚转、俯仰和偏航角速率。各坐标系与状态的定义参见文献[9]，建立RLV再人飞行姿态运动方程如下：11&一(一L+Mgcos)'cos~)+q～pcosatan—rsinutan+(一TRsi眦+c。)(1)11一(y+Mgcos)'sin／~)+psina—YCOS~I+l_(～TRc。sasin／?-KT；CO一TRsinasin卢)(2)五一1(Ltan／?-

7、1-Ltanysin／l+Ytanycos／~-tanpc。s)，c。)+cosasec』9+rsinase+1((sin口sitanCOSGSic。tany+sinata)+TRc。sc。stan—TR(COSasin／~tan)'+sinasin／?cosftan)'+COS0~tan／?))(3)一jj一J+。JI一Jqr+I囊J与一I加(4)qa一一十+—rP+I～p)(5)ss；一一J+。g+(6)一一。J一式中g为重力加速度；D，L，Y分别为速度系下飞行器所受到的阻力、升力和侧力；z，m，n分别为机体系下的滚转力

8、矩、俯仰力矩和偏航力矩，且有z—z+z，一+m，—+，z、、n分别为气动舵面产生的滚转、俯仰、偏航力矩，z、m、分别为RCS产生的滚转、俯仰、偏航力矩；T、T；、T分别为RCS产生的机体系下的轴向、侧向和法向推力。3．2RCS／气动舵复合控制建模再入过程中，攻角a的跟踪用于控制再入的气动热