【摘 要】
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高超声速飞行器具有超高速、远航程、强打击以及防反导等优异特点。飞行器变形技术可以主动地改变自身的外形结构,减小阻力,获取更优的气动特性与操纵能力,从而提高飞行性能。在高超声速飞行器上采用常规飞行器的变形技术后,可以使得高超声速飞行器具有变形能力,从而可以融合两者各自的独特优势。然而外形改变会带来的气动受力的显著变化,且全程的高超声速飞行带来的气动条件十分复杂,使得飞行器的飞行控制呈现出强不确定性以
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高超声速飞行器具有超高速、远航程、强打击以及防反导等优异特点。飞行器变形技术可以主动地改变自身的外形结构,减小阻力,获取更优的气动特性与操纵能力,从而提高飞行性能。在高超声速飞行器上采用常规飞行器的变形技术后,可以使得高超声速飞行器具有变形能力,从而可以融合两者各自的独特优势。然而外形改变会带来的气动受力的显著变化,且全程的高超声速飞行带来的气动条件十分复杂,使得飞行器的飞行控制呈现出强不确定性以及强耦合等特点,因此传统将制导系统与姿态控制系统分离设计的思想将不适用于高超声速变形飞行器。本文将飞行器的变形用于高超声速飞行器的飞行控制过程,形成高超声速飞行器的变形/制导/姿控一体化方法,主要研究内容包括1.在有自转的标准椭球地球模型下,运用多体系统动力学的理论,建立了高超声速变形飞行器的六自由度运动模型。因为高超声速变形飞行器所具有的变外形特性,因此飞行器的动力学方程中包含了附加力以及附加力矩,由此组成了完整的高超声速变形飞行器的六自由度运动模型。2.运用飞行器气动数据的计算软件获取每个状态参数不同点组合下的六自由度气动系数数据表,然后再运用最小二乘法对所获得的各个气动系数进行多项式拟合获取表达式,由此即得到了高超声速变形飞行器的气动模型。同时为了梳理飞行器气动特性中变形的影响规律,对所获得的气动模型关于变形率的影响进行了数值分析。3.建立了基于航程和方位误差控制的严格反馈型平飞段变形/制导/姿控一体化设计模型,再运用自适应块动态面方法进行变形/制导/姿控一体化控制系统的设计,同时证明了系统的稳定性。在一体化控制系统中,在平飞段飞行全程不同的马赫数情况下,利用机翼的变展长特性,保持飞行器所受的阻力最小,从而达到速度损耗最小的目标。仿真结果表明,基于自适应块动态面方法进行变形/制导/姿控一体化方法能很好地完成对高超声速变展长飞行器平飞段的飞行任务,到达终点时的落点偏差很小,同时在相同的航程下,飞行器的速度损耗值减小了15.16%,显著地增加了飞行器的终点速度及攻击动能。4.建立了适用于倾斜转弯控制的严格反馈型俯冲段带落角约束的变形/制导/姿控一体化设计模型。在此基础上运用自适应块动态面方法进行变形/制导/姿控一体化控制系统设计,同时证明了系统的稳定性。在一体化控制系统中,利用机翼的变展长特性,使得展长和攻角的协同变化,实现对质心运动的快速稳定控制。仿真结果表明,基于自适应块动态面方法进行变形/制导/姿控一体化设计方法能很好地完成对高超声速变形飞行器俯冲段的运动设计,同时变展长飞行器相比于固定展长飞行器,落点偏差更小,运动时间更短,落点倾角控制精度更高,攻角的变化量和俯仰舵偏角的变化量更小。通过蒙特卡洛打靶实验验证了变展长飞行器变形/制导/姿控一体化下的鲁棒性,且变展长飞行器的落点CEP小于固定展长,说明变展长飞行器的鲁棒性要强于固定展长。研究结果表明,本文所设计的变形/制导/姿控一体化设计方法能够很好地解决高超声速变形飞行器在平飞段和俯冲段的飞行控制问题,且可以有效抑制不确定项的影响。文章的研究成果为高超声速变形飞行器的飞行控制研究提供了新型研究思路。
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