[发明专利]在高度速度剖面内直接规划再入轨迹的方法

说明书

本发明提供一种在高度速度剖面内直接规划再入轨迹的方法，包括以下步骤：S1、提取飞行器实际工作参数，根据任务需求设置驻点热流最大值动压最大值q_max和过载最大值n_max，求解再入轨迹的高度速度边界，即再入轨迹在高度速度剖面内的下边界；S2、根据再入运动微分方程，求解初始下降段的再入轨迹，并根据初始下降段轨迹确定滑翔段轨迹起点；S3、在高度速度剖面内的下边界的基础上，规划满足终端约束的高度速度剖面内的轨迹，计算对应的倾斜角，得到再入轨迹。所提方法能够准确规划再入轨迹，避免因忽略飞行路径角及其变化率造成再入轨迹可能不满足过程约束的风险，提高再入轨迹的可靠性，运算速率快、求解精度高。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体而言，尤其涉及一种在高度速度剖面内直接规划再入轨迹的设计方法。

背景技术

升力式再入航天器具有速度快、航程远、机动性强等优势，能够实现全球快速攻击或者物资运送等军事任务。这种飞行器在再入飞行过程中表现为强非线性、强耦合、动态变化快等动力学特征，加之再入飞行需要满足驻点热流、动压、过载等过程约束和速度、位置、航向误差角等终端约束，使得再入轨迹设计极其困难。

常用描述再入运动的微分方程如下(忽略地球自转)；

其中，r表示地心距，θ表示经度，φ表示纬度，V表示速度，γ表示飞行路径角，ψ表示航向角；m表示飞行器质量，g表示重力加速度，L表示升力，D表示阻力，σ表示倾斜角；

其中ρ表示大气密度；S_ref表示飞行器气动参考面积；C_L和C_D分别为升力系数和阻力系数(通常根据风洞试验得到升力系数、阻力系数与攻角α和速度V的关系)。

除上述六个运动状态量以外，方程中还包含两个控制变量，即倾斜角σ和攻角α。其中，攻角α的控制作用隐含在阻力系数C_D和升力系数C_L中。

对大气密度采用指数形式的模型，其具体的表达式如下：

ρ＝ρ₀e^-h/β (9)

其中，ρ₀是海平面处的大气密度；h代表海拔高度；β为大气常数；

重力模型如下：

其中，R₀为地球半径，海拔高度h＝r-R₀，g₀为海平面处重力加速度。

设计再入轨迹，须考虑过程约束和终端约束。过程约束包括驻点热流、动压和过载，分别如下：

三种过程约束的边界是关于地心距r和飞行速度V的等式。

终端约束包括飞行速度V达到终端速度要求，以及地心距、待飞航程和航向误差角在一定范围内：

|r_f-r_TAEM|＜Δr (14)

V_f＝V_TAEM (15)