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随着人类空间活动的不断增加,与传统的一次性飞行器相比,亚轨道飞行器由于发射成本低、高速飞行、可重复使用、能够在低空执行多任务等优点,得到了越来越广泛的关注。其中,末端能量管理段作为亚轨道飞行器返回过程的一个阶段,对飞行器能否安全着陆有着重要意义。目前关于亚轨道飞行器末端能量管理的研究很多,但是主要采用了七、八十年代美国航天飞机的末端能量管理段制导方法,分四段进行轨迹设计:S转弯段,当飞行器的能量航程比值高于某一个设定值时,启用S型转弯段,飞行器做S型的横向机动以增加航程,此阶段不是必需阶段;捕获段,飞行器向预设的航向校正锥的切入点飞行,使飞行器与航向校正圆柱相切;航向调整段,对航向进行调整,使之对准跑道中线方向;着陆预备段,同时对飞行器的高度和速度进行调整,使飞行器满足自动着陆界面的要求。与航天飞机相比,亚轨道飞行器由于具有能量小,需要执行低空飞行任务等特点,原来的末端能量管理方法已经可能不完全适应其飞行特点,尤其是对于某些需要执行低空飞行任务对航程有精确约束的亚轨道飞行器需要一种能够根据任务情况控制航程大小的末端能量管理方法。如何增加或者减小末端能量管理段无动力滑行的航程成为新的研究热点,本文研究了一种基于航程控制的亚轨道飞行器末端能量管理方法。
本文在吸取航天飞机、重复使用飞行器关于末端能量管理方法的基础上,提出了亚轨道飞行器航程控制的末端能量管理方法。将轨迹设计分为航程控制段、航向调整段和着陆预备段。其中航程控制段采用了多参数耦合、能量航向分离控制、动势能匹配衰减方法,使飞行器按照期望航程飞行,并使航向对准航向校正圆锥的切入点的切线方向。航向调整段和着陆预备段采用了类似航天飞机的轨迹设计。本文的创新点,是在航程控制段,通过建立能量剖面,实时表征能量/航程比,并充分考虑期望动能与期望势能约束,通过对势能的预测衰减与期望衰减的对比,以及动能与势能的耦合,调整攻角,使动、势能匹配衰减。并对飞行器按最大航程飞行进行了仿真验证。仿真结果表明使用这种方法得到了良好的制导结果,满足了动、势能的匹配衰减,达到了期望的飞行距离,并且可以根据任务要求修改航程控制段的航程大小。