高超声速滑翔式飞行器目标覆盖范围的计算方法

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第２６卷第１期２０１４年３月
弹
道
学
报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢａｌｌｉｓｔｉｃｓ
ｏｌ．２６Ｎｏ．１Ｖａｒ．２０１４Ｍ
高超声速滑翔式飞行器目标覆盖范围的计算方法
汪雷，刘欣，杨涛，张梦樱
）（长沙４国防科学技术大学航天科学与工程学院，１００７３摘要：为解决飞行器任务规划的相关问题，给出了利用优化算法求解目标覆盖范围的基本流程。在合理选择优化指标与约束条件的情况下，计算一系列最优弹道以得到目标覆盖范围边界。为实现计算的快速性，提出了一种基于高度－速度剖面跟踪的目标覆盖范围求解方法。仿真结果表明，其中基２种方法均能完成目标覆盖范围的计算，于弹道优化的方法计算精度较高，基于弹道跟踪方法则在计算速度方面具有优势，二者可分别满足不同场合的计算需求。关键词：高超声速飞行器；弹道优化；反馈线性化）中图分类号：Ｖ４９９００５０６８．２３５文献标识码：４Ｘ（２０１４０１０Ａ文章编号：１００４４－－－
２／（）Ｆｖｒ５ｇ－ｍＹ，ｍａｘ＞ｍ定义再入走廊为再入飞行器安全返回所必须满
足的各种约束条件的交集，再入走廊可直观地反映飞行器再入过程约束。取指数大气密度模型：
／－ｈｈｓ，其中，Ｈ）ｅｈ＝００为海平面大气密度，ｓ＝ ρ（ ρ ρ 动压、法向过载约束以及７．１１ｋｍ。根据驻点热流、
ｔｒｉｎｔＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＨｅｒｓｏｎｉｃＧｌｉｄｅＶｅｈｉｃｌｅＦｏｏｐｙｐ
，，ｉｎＷＡＮＧＬｅｉＬＩＵＸｉｎ，ＹＡＮＧＴａｏＺＨＡＮＧＭｅｎ－ｙｇｇ
本文首先介绍了高超声速滑翔式飞行器的再入动力学模型和再入过程中受到的弹道约束；然后给
第１期
汪雷，等高超声速滑翔式飞行器目标覆盖范围的计算方法
５１
出了利用弹道优化算法求解目标覆盖范围的基本流程，在合理选择优化指标与约束条件的情况下，选用伪谱法来完成优化计算。鉴于上述方法计算量过剖面跟踪大，本文提出了一种基于高度－速度（ｈｖ）－的目标覆盖范围求解方法，通过对不同ｈｖ曲线的－跟踪和侧向机动得到完整的射程覆盖范围。以典型高超声速滑翔式再入飞行器为对象，验证了所提出方法的有效性。
” ，此区域可初步反映飞行器的射程能为“ ｔｒｉｎｔｆｏｏｐ力和机动能力。另外，当飞行中飞行器出现故障或飞行任务变更需改变落点时，必须知道当前弹道参数下飞行器的目标覆盖范围，以便选择可行的落点。
［２］研究了再入ｎＬｕＰｉｇ等人采用伪平衡滑翔条件，飞行过程中的目标覆盖范围的快速生成。
ν为倾侧角。无动力三自由度再入运动方程为ＦＸ烄ｖ＝－－ｇｓｉｎ θ ｍＦｃｏｓ ν ｖｇＹ－＋ｃｏｓ θ θ＝ｒｖｍｖ
［］３
（
）
平衡滑翔约束，可得ｈ－ｖ剖面内与各约束条件对应的再入走廊边界：（）１
３
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｆｓｉｎ ν ｖｃｏｓｓｉｎｔａｎＹ θ σ ＋ σ＝ｍｖｃｏｓｒ θ 烅ｖｃｏｓｃｏｓ θ σ ＝ｒｖｃｏｓｓｉｎ θ σ λ＝ｃｏｓｒｒ＝ｖｓｉｎ θ 烆
，），（Ｃｈａｎｓｈａ４１００７３，ＣｈｉｎａｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｌｅｅｏｆＡｅｒｏｓａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏｌｇｇｙｙｇｐｇｇ
收稿日期：１１２９２２０１－－，：作者简介：男，博士研究生，汪雷（研究方向为飞行器动力学、制导与控制。Ｅ－ｍａｉ２－）ｌｓｔａｒ６８５１４０４＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。１９８
１］中一般将这个区域称目标覆盖范围，国外的文献［
影响，即这些因素不能超过飞行器的最大承受能力。驻点热流约束：
０．５３．１５（），２ｑｓ＝ｋｓｓｍａｘ ρ ｖ＜ｑ式中：ｋｓ为取决于飞行器头部形状的热流传递系数。
法向过载约束：
１再入动力学模型
由于高超声速滑翔式飞行器外形为升力体，弹体扁平，常采用倾斜（转弯技术，故可假设飞行中侧ＢＴＴ）滑角保持为零。假设地球为不旋转圆球，建立三自由、经度λ 和纬度度运动模型，其中位置参数以地心距ｒ速度倾角θ 和速度参数由速度大小ｖ、３个参数来描述；。速度偏角σ 确定速度倾角θ 是速度向量与当地水平面的夹角，速度向量指向水平面上方时θ 为正。速度偏角σ 是速度向量在当地水平面的投影与正北方向的夹角，从正北方向到速度向量顺时针旋转时σ 为正；
Ｆｃｏｓｉｎ α＋ＦＸｓ α Ｙｎｎ＜ｍａｘｙ＝ｙ，ｍｇ０式中：ｎ α 为攻角。ｙ为法向过载，：动压约束
１２ｖ＜ｑ＝ ρ ｑｍａｘ２式中：ｑ为动压，ｑｍａｘ为最大动压。
（）３
（）４
另外，基于再入制导控制能力的考虑，为保证弹道的可控性，必须保证沿弹道飞行时飞行器可获得的最大升力始终能够平衡其它力，此约束被称之为平衡滑翔约束，可取约束条件为
，：ＡｂｓｌａｎｎｉｎｔｈｅｂａｓｉｃｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅｒｅｅｎｔｒｍｉｓｓｉｏｎｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｒｅｌａｖｅｎｔｐｇｐｙｉｖｅｎ．Ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｉｎｔｈｅｆｏｏｔｒｉｎｔｂｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｏｒｉｔｈｍｗａｓｇｊｙｐｇｐｙｐｇｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｆｏｏｔｒｉｎｔｏｆｔｈｅｈｅｒｓｏｎｉｃｖｅｈｉｃｌｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｃａｌｃｕｌａｔｉｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｏｔｉｍａｌｔｒａｅｃｔｏｒｉｅｓｐｐｙｐｙｇｐｊｒｅｓｅｎｕｎｄｅｒａｒｏｒｉａｔｅｃｏｓｔｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｅｃｔｏｒｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ．Ａｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｔｒａｃｋｉｎｗａｓ－ｐｐｐｐｊｙｊｙｇ，ｔｅｄｆｕｉｃｋｌａｎｄｉｔｃｒｅａｔｅｄａｒｅｅｎｔｒｃｏｒｒｉｄｏｒｓｉｎｈｅｉｈｔｖｓｖｅｌｏｃｉｔｒｏｏｒｔｈｅｓａｋｅｏｆｏｂｔａｉｎｉｎｔｈｅｆｏｏｔｒｉｎｔ－ｑｙｙｇｙｐｇｐｆｉｌａｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｆｏｏｔｒｉｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｍｅｔｈｏｄｓｃａｎａｃｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅ－ｐｐｃｏｍｌｉｓｈｔｈｅｆｏｏｔｒｉｎｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃａｎｏｂｔａｉｎｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｐｐｊｙｐ；ｆｏｏｔｒｉｎｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｒａｅｃｔｏｒｔｒａｃｋｉｎｈａｓｆａｓｔｅｒｃｏｍｕｔｅｓｅｅｄ．Ｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｐｊｙｇｐｐｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｓｅａｒａｔｅｌ．ｑｐｙ：；；Ｋｅｗｏｒｄｓｈｅｒｓｏｎｉｃｌｉｄｅｖｅｈｉｃｌｅｔｒａｅｃｔｏｒｏｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｙｐｇｊｙｐｙ高超声速滑翔式再入飞行器外形通常采用升力体或乘波体，可实现高升阻比再入，利用空气动力控制飞行轨迹，能够完成远距离的非弹道式再入机动飞行。高超声速滑翔式飞行器以其在增大射程、突破导弹防御系统和再入段机动等方面具备的强大优势而备受瞩目，成为近年来的研究热点，美国的２是其典型代表。高超声速滑翔式飞行器再ＨＴＶ－入后通过气动力控制弹道，可实现大范围的机动飞行。本文将飞行器可通过机动飞行到达的区域称为