[发明专利]一种两级入轨空天飞行器上升段轨迹及设计方法

说明书

本发明提出一种两级入轨空天飞行器上升段轨迹及设计方法，通过对一二级上升段进行划分，确定上升段轨迹形式，首先确定分离点位置，再进行二级轨迹设计，最后进行一级轨迹设计。本发明算法简洁、求解高效，可广泛用于空天飞行器、临近空间高超声速飞机上升段轨迹设计。

技术领域

本发明涉及一种两级入轨空天飞行器上升段轨迹及设计方法，属于空天飞行器入轨轨迹设计技术领域。

背景技术

空天飞行器是一种以吸气式组合发动机为动力，能够在稠密大气、临近空间、空间穿梭飞行器的新型天地往返运输飞行器，按照入轨级数可分为两级入轨空天飞行器和单级入轨空天飞行器，而两级入轨空天飞行器技术难度相对较低，且一子级采用吸气式组合动力、二子级采用火箭动力的两级入轨空天飞行器(简称为两级入轨空天飞行器)将更快形成实用能力。

上升段包含运载器起飞到载荷入轨全部轨迹。现有的运载火箭采用垂直起飞方式、火箭动力大推力加速，很快穿越大气层轨迹形式简单，上升段采用固定飞行程序进行飞行，上升段轨迹设计时通过飞行程序设计实现。经过半个多世纪经验积累运载火箭飞行程序已经形成固定形式，根据任务要求对飞行程序参数进行优化便可得到满足要求的飞行程序，即完成上升段轨迹设计。

与运载火箭不同，两级空天飞行器采用水平起飞方式、组合动力推进，其上升段轨迹可再细分为一级段和二级段。一级段一子级组合动力工作在稠密大气、临近空间飞行以获得速度增量和一二级分离时位置、速度方位要求。二级段二子级火箭动力工作，持续加速进入目标轨道，该段轨迹形式与运载火箭无异。

由于轨迹形式差别，二级运载火箭上升段轨迹设计方法不能适用于两级空天飞行器上升段轨迹设计。且目前两级入轨空天飞行器上升段轨迹设计方法研究主要集中在纵平面内标称轨迹优化设计方法方面，设计指标多为燃料最优、时间最短等，并不考虑机场与目标轨道空间相对位置关系，上升段轨迹设计无法满足空间约束要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种空间约束要求的两级入轨空天飞行器上升段轨迹及设计方法,满足机场位置(发射点)与目标轨道(入轨点)相对位置约束。

本发明的技术解决方案：一种两级入轨空天飞行器上升段轨迹，两级入轨空天飞行器一级采用吸气式组合动力、二级采用火箭动力，两级入轨空天飞行器上升段轨迹由一级上升段轨迹和二级上升段轨迹组成，所述的一级上升段轨迹为从起飞点到分离点分为起飞段、加速Ⅰ段、航向调整段、加速Ⅱ段、巡航飞行段、射面调整段和加速Ⅲ段，所述的一级上升段轨迹由二级上升段轨迹在分离点的轨迹偏角初值、分离时刻和分离点位置为约束；

所述的起飞段、加速Ⅰ段、加速Ⅱ段和加速Ⅲ段无滚转和侧滑，速度、高度、倾角及航程由纵平面标称轨迹确定，所述的航向调整段和射向调整段有滚转无侧滑，等速、等高飞行，所述的巡航飞行段无滚转和侧滑，等速、等高飞行。

所述的纵平面标称轨迹为本领域公知技术，可由高斯维普法等优化算法确定。

所述的分离点确定准则为：分离点为在一级吸气式组合动力机动可达范围内的目标轨道星下点。

所述的分离点确定步骤如下：

(1)在要求的发射时段以目标轨道要素形成星下点轨迹；

(2)以机场起飞点为圆点、一级机动能力为半径作机动范围圆，处于一级机动范围圆内的星下点即可作为可选的分离点位置；

(3)根据对飞行任务对分离点的其他要求，如一级飞行距离最小、入轨时刻等要求，从步骤(2)中确定分离点具体位置。

所述的二级上升段轨迹从分离点到入轨点分为一次动力飞行段、无动力滑行段和二次动力飞行段，以一级预定的分离状态初值(速度、高度及轨迹倾角)和分离点位置为输入进行二级轨迹设计，具体设计为采用火箭动力的飞行轨迹设计公知技术。