[发明专利]一种对流层间歇滑翔飞行控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对流层间歇滑翔飞行控制方法，属于飞行控制技术领域，具体涉及一种适用于飞行器在对流层飞行中合理的利用上升气流以实现提高留空时间和航程的建模控制方法。

背景技术

大型鸟类利用空气能量帮助自身飞行，提高飞行时间和飞行距离。受大自然中这种现象的启发，载人滑翔机利用大气能量增加留空时间或飞行距离，已经有很久的历史，但将其无人驾驶飞行器的研究并不久远。21世纪初，美国宇航局德莱顿飞行研究中心(NASADrydenFlightResearchCenter)的MichaelJ.Allen等人建立了沙漠地区的上升气流模型，以便研究无人驾驶飞行器在该类型上升气流中的受益情况。随后，KlasAndersson等人也通过试飞验证了无人驾驶飞行器利用上升气流能量提高留空时间的可行性。

诸多的研究结果表明，无人驾驶飞行器在大气层中飞行时，可以利用大气环境中的空气流动，随之改变自身的飞行轨迹或者飞行姿态，充分吸收大气中的能量，提高飞行器动能和势能，进而显著提高飞行器的留空时间，并且增大飞行器的射程。通过低成本技术手段实现间歇滑翔，使飞行器增大航程、增加留空时间，是实现巡逻攻击、侦打合一，提高未来巡航导弹对高军事价值的时敏目标(TCT)实施快速有效精确打击的重要技术保证。但目前的研究主要通过实验的方法验证了飞行器利用上升气流的可行性，并没有提出高效利用上升气流的飞行控制方法。而在我国，此方面的研究更是处在起步阶段。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种对流层间歇滑翔飞行控制方法。本发明给出了对流层热上升气流的建模方法以及飞行器对上升气流的判断标准，设计了间歇滑翔控制律，在爬升段采用对高度“限下放上”的控制思想，使飞行器充分利用大气能量提高自身势能，在下滑段关闭发动机，利用自身势能滑翔飞行。在同样的燃油消耗条件下，利用上升气流进行间歇滑翔飞行，能够显著提高飞行器的留空时间和射程。本发明的间歇滑翔飞行控制方形式简单，普适性强，可广泛应用于小型无人机和小型巡航弹，能够有效提高无人机及巡航导弹的作战效能。

本发明提供的对流层间歇滑翔飞行控制方法如下：

首先建立对流层中可被飞行器利用的热上升气流模型，当阳光照射某一地区的地面，使这一地区的温度高于周围地区的温度时，这一地区的空气吸收地表热量密度变小，一旦有风作为触发源，这一地区的空气开始上升，热上升气流就产生了。热上升气流有两种具体的存在形式，一种是从地面到上升气流顶端连续不断的柱状上升气流，另外一种是随着上升气流高度的增加，顶端上升空气逐渐脱离底端的空气，形成了泡状的上升空气团。该上升气流的特性与高斯函数与较为相似：整个上升气流具有接近圆形的外缘，在上升气流的中心处强度较大，从上升气流的中心处到边缘处强度逐渐衰减。

建立飞行器六自由度非线性模型，并确定不存在上升气流的飞行控制系统的控制律。

当飞行器遇到上升气流时，自身平衡状态被打破，为达到新的平衡，飞行控制系统会立即调整攻角，所以可以通过攻角的变化来判断是否进入上升气流区域。如果攻角的变化量大于选取的门限值，且当前位置处于发射前预测的上升气流区域内，则可判断进入了稳定上升气流区域，可进行间歇滑翔飞行

当进入间歇滑翔飞行阶段，为了使飞行器能够充分利用上升气流能量，当检测到存在上升气流时，进入爬升段，在爬升过程中对高度的上升并不进行控制或者是控制约束非常小，只对高度的降低进行控制；而当飞行器爬升到最大高度进行滑翔飞行时，对速度的增加并不进行控制或者是控制约束非常小，只对速度的减小进行控制。这种“包线下界约束”的控制律需对传统的控制方法进行改进，使得对于高度和速度两状态的控制实现“限下放上”的要求。采用最优包线下界约束控制方法，可使飞行器尽可能的利用气流能量减少燃油消耗。在爬升段，不控制高度的增加，可以使飞行器尽可能的储存势能，为滑翔段做好准备。在滑翔飞行阶段不限制速度的增加，可以最大限度的增加射程，并且在后期控制中减少发动机推力的要求，从而减少燃油消耗。

本发明的优点在于：

(1)本发明中所建立的上升气流模型结构简单同时很好的符合实际上升气流的特点，易于进行间歇滑翔控制方法的研究与仿真分析；

(2)在同样的燃油消耗条件下，利用上升气流进行间歇滑翔飞行，能够显著提高飞行器的留空时间和射程；

(3)本发明的控制方法对飞行器及其建模方式没有特殊要求，原理简单易行，具有良好的普适性，可以广泛应用于无人机、导弹等飞行器。

附图说明

图1热上升气流建模；