临近空间高超声速飞行GNC技术与前景展望

临近空间飞行器利用临近空间独特的环境特点,采用升力体构型,基于助推滑翔式弹道,实现高超声速滑翔和机动,极具发展潜力.本文介绍了临近空间高超声速飞行器的发展历程,根据其飞行的特点,分析了临近空间高超声速飞行所需的高精度GNC技术,并对其发展前景进行了展望.     

高超声速滑翔飞行器变轨段自适应跟踪制导方法

针对高超声速滑翔飞行器变轨段大偏差条件下的标准轨迹跟踪问题,提出一种基于权值矩阵自适应修正的变轨段跟踪制导方法。分析了变轨段主要控制方式和标准轨迹特性;将简化的纵向运动方程在标准轨迹附近线性化;采用将误差项引进线性二次型性能指标加权矩阵的方式,设计了改进的权值自适应修正跟踪制导方法。CAV-H飞行器仿真分析表明,该方法能够实现高超声速滑翔飞行器变轨段高精度自适应跟踪制导,对初始及过程偏差具有良好的鲁棒性。     

临空高超声速飞行器目标特性分析

临空高超声速飞行器经过几十年的发展,已经从概念原理探索阶段进入到成果应用阶段,其军事潜力和作战效能日益凸显。主要以美军高超声速无人飞行器、空天飞机和高超声速巡航导弹为研究对象,从临空高超声速飞行器的运动特性、电磁特性和红外特性3个方面展开论述,同时结合典型目标进行建模仿真分析;着重探讨了目标特性对未来作战性能的影响。临空高超声速飞行器目标特性的分析研究,为新型防空体系的构建提供了参考,为未来探测跟踪拦截此类目标奠定了基础。     

临近空间目标跟踪与预报技术研究

目前临近空间高超声速飞行器发展迅速,临近空间目标跟踪与预报已引起广泛关注。论述了临近空间高超声速飞行器跟踪与预报技术,包括临近空间高超声速机动目标模型、多模型滤波器设计方法、临近空间高超声速机动目标轨迹预报方法等,并提出现有方法存在的主要问题及后续主要研究方向。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制方法研究北大核心

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,利用四元数代替欧拉角建立了六自由度模型,避免了高超飞行器大姿态角机动时,欧拉角解算出现发散的问题;基于六自由度模型推导出一种新的制导控制模式:外环利用飞行器状态及目标-飞行器三维相对运动信息,解算出所需的飞行器角速度作为虚拟控制量,内环采用滑模控制器跟踪外环产生的角速度指令,得到飞行器舵偏角指令;该方法采用跟踪角速度代替跟踪欧拉角指令的方法,可以使飞行器实际飞行更加平稳;仿真结果也表明,该方法能够使高超声速飞行器准确命中目标,且其飞行过程中各项状态量均平稳可控。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制方法研究

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,利用四元数代替欧拉角建立了六自由度模型,避免了高超飞行器大姿态角机动时,欧拉角解算出现发散的问题;基于六自由度模型推导出一种新的制导控制模式:外环利用飞行器状态及目标-飞行器三维相对运动信息,解算出所需的飞行器角速度作为虚拟控制量,内环采用滑模控制器跟踪外环产生的角速度指令,得到飞行器舵偏角指令;该方法采用跟踪角速度代替跟踪欧拉角指令的方法,可以使飞行器实际飞行更加平稳;仿真结果也表明,该方法能够使高超声速飞行器准确命中目标,且其飞行过程中各项状态量均平稳可控。     

防务快讯

印度进行高超声速巡航技术研究目前,印度国防研究发展试验室正在进行高超声速技术演示飞行器(HSTDV)的研制,该飞行器将以固体助推火箭和超燃冲压发动机为动力,初步设想是使超燃冲压发动机启动并推动飞行器以高超声速飞行20秒,最终目标是研制能够在32.5千米高空以马赫数6与的速度飞行的高超声速飞行器。同时,这一项目也暗示印度可能发展可重复使用航天运载器。建造中的 HSTDV 演示飞行器重1吨,长5.6米,其横截面为八边形,机     

基于修正转弯模型的交互多模型跟踪算法

临近空间高超声速飞行器具有极快的飞行速度和独特的机动模式,传统单模型跟踪方法不能对此类目标进行有效跟踪。提出了基于修正转弯模型的交互多模型跟踪算法,该算法修正了转弯模型,利用当前统计模型思想对目标角速度进行实时估计。首先分析了临近空间高超声速目标的特性,然后根据目标运动方程,对目标角速度进行实时估计,最后通过交互多模型实现对临近空间高超声速目标的跟踪。蒙特卡罗仿真结果表明,IMM跟踪算法能够有效跟踪临近空间高超声速目标,且跟踪的精确度、稳定性等明显优于单模型。     

弹性高超声速飞行器自适应极点配置控制

本文针对乘波体外形的高超声速飞行器存在的结构/推进/气动强耦合特性,利用鲁棒极点配置方法设计了自适应控制器,实现了对高超声速飞行器的速度和高度指令跟踪控制。控制器采用了Proportional-Integral-Filter(PIF)结构,该结构的控制器不仅能够使系统具备良好的稳态特性而且能够对控制信号进行滤波平滑,从而能够有效地抑制高超声速飞行器的弹性振动对控制系统的影响。基于弹性高超声速飞行器模型CSUAL_GHV,分别采用自适应鲁棒极点配置控制方法和自适应非鲁棒极点配置控制方法进行了数值仿真。结果表明,与非鲁棒极点配置控制方法相比,采用自适应鲁棒极点配置控制方法的控制系统不仅使飞行器能够很快地跟踪上速度和高度指令,跟踪误差小于1%,而且高超声速飞行器的弹性振动也得到了有效地抑制。飞行器在整个飞行过程中的飞行攻角均处于±2°范围内,满足超燃冲压发动机的工作要求。     

高超声速飞行器发展及作战效能初探

分析了高超声速飞行器的发展并预测其趋势,根据高超声速巡航导弹高速度、高精度、隐形化的特点,建立了高超声速巡航导弹攻防对抗仿真系统,结合典型案例,从预警、突防等方面,以定性定量相结合的方法,比较分析了亚声速巡航导弹、超声速巡航导弹、弹道导弹的作战效能,得出初步结论。     

高超声速滑翔飞行器气动性能的数值模拟研究

由于具有高的升阻比,乘波构型被认为是高超声速滑翔飞行器的重点参考外形.考虑到高超声速条件下严重的气动加热问题,乘波构型的尖锐前缘需要进行钝化处理,其表面流动特征及气动性能也随之发生变化.基于参考弹道,本文分析了高超声速滑翔飞行器沿飞行轨迹的表面流场特征,并对其在典型飞行工况下的气动性能开展了数值模拟研究.结果表明:对于采用乘波布局设计的高超声速滑翔飞行器,其驻点流动存在三维效应,不能简单视为球头或圆柱绕流;钝化可以缓和严峻的受热形势,同时对其气动力性能造成影响:在2cm钝化半径条件下,其升阻比下降12.34％;高超声速滑翔飞行器的表面受热存在明显的分区特征,不同区域可采用不同的防热处理方法.     

高超声速飞行器俯冲机动最优制导方法

为解决高超声速飞行器俯冲段精确制导与机动突防问题,研究了机动突防最优制导方法。针对零化视线角速率降低突防性能的问题,在俯冲平面及转弯平面内分别设计了正弦形式的视线角参考运动,同时为进一步实现俯冲精确制导,以落速最大为性能指标利用最优控制对其进行跟踪,引入了伪控制量以简化最优制导问题的求解,最后分析了该方法的稳定性及制导性能。以CAV-H为例进行仿真分析,仿真结果表明该方法能够实现机动飞行,且能够高精度地满足终端落角及落点约束,可为高超声速飞行器俯冲段精确制导及机动突防提供参考。     

基于空基拦截器的高超声速飞行器防御拦截

高超声速飞行器的防御技术一直是空间攻防对抗技术领域的一个难点,尤其是近年来发展的临近空间高超声速巡航飞行器更给现有的防御体系带来了新的挑战。介绍临近空间高超声速飞行器的目标特性,针对其探索一种基于空基拦截器的防御策略,重点探讨空基拦截器防御的关键技术与难点,并通过运动学建模与仿真从拦截器的制导方法与导引规律方面对空基拦截器策略进行分析。     

高超声速巡航飞行器纵向气动特性分析

吸气式高超声速巡航飞行器机身/发动机一体化特性使得气动一推进系统之间存在强的耦合作用,这种耦合影响着飞行器气动性能、稳定性和控制.针对耦合对飞行器特性的影响,建立了机身一发动机一体化模型,并进行了气动-推进界面划分.在此基础上,分别计算了高超声速巡航飞行器在进气道打开,发动机不工作以及进气道打开,发动机工作两种状态下的纵向气动特性.仿真结果揭示了高超声速巡航飞行器气动一推进系统之间的耦合以及耦合作用对飞行器气动性能、稳定性的影响.     

高超声速滑翔飞行器滑翔段初始状态的唯一性和最优性分析

临近空间高超声速滑翔飞行器的弹道特性主要受滑翔段初始状态和飞行器控制律影响。在飞行器控制律确定的情况下,研究了滑翔段初始状态对高超声速滑翔飞行器弹道特性的影响规律。按照滑翔弹道的不同形式,在纵向平衡滑翔条件下,通过理论推导得出飞行器状态变量的解析式,结合平衡滑翔条件分析平衡滑翔弹道滑翔段初始状态的唯一性;在纵向跳跃滑翔条件下,构建弹道性能评价指标,利用群智能算法,寻找弹道性能最优时的滑翔段初始状态。利用单因素敏感性分析方法,分别对两种滑翔弹道的滑翔段初始状态进行敏感性分析,初始状态中初始速度对弹道特性的影响最大。对高超声速滑翔飞行器初始状态唯一性与最优性的分析,可为高超声速滑翔飞行器的弹道设计、弹道跟踪、轨迹预测和轨迹优化提供借鉴。     

美军在日本设立首个陆军作战司令部

目前．印度国防研究发展试验室正在进行高超声速技术演示飞行器（HSTDV）的研制,该飞行器将以固体助推火箭和超燃冲压发动机为动力,初步设想是使超燃冲压发动机启动并推动飞行器以高超声速飞行20秒,最终目标是研制能够在32．5千米高空以马赫数6．5的速度飞行的高超声速飞行器。同时,这一项目也暗示印度可能发展可重复使用航天运载器。     

基于自抗扰控制的高超声速飞行器再入制导律

鲁棒制导律设计是增强高超声速飞行器再入突防能力、提升飞行安全性的重要保障.针对多约束条件及多种气动参数摄动影响的高超声速飞行器再入轨迹抗干扰跟踪问题,首先,在标准轨迹制导的框架下,结合模型辅助线性自抗扰控制和基于航向角误差走廊的几何制导逻辑,提出了一种可满足纵向和横侧向平面制导任务需求的自抗扰再入制导律;其次,采用反馈...     

基于反馈线性化及滑模控制的俯冲机动制导方法

以高超声速飞行器为研究对象,针对俯冲段精确制导及机动突防问题,基于反馈线性化与滑模控制研究了机动突防滑模跟踪制导方法。首先设计纵向俯冲及侧向机动弹道,其次利用反馈线性化将非线性运动方程转化为线性方程,基于该线性方程利用滑模控制对已设计的弹道进行跟踪,最终将线性跟踪制导律转换到非线性系统中获得非线性滑模跟踪制导律,该制导律完全基于飞行器当前运动状态,所需的相对运动信息大大减少。CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该方法能够实现俯冲段精确制导及机动飞行,且对初始及过程偏差具有较强的鲁棒性,能够为高超声速飞行器俯冲段制导提供有益参考。     

基于动态逆的高超声速飞行器滑模控制律设计

针对具有严重非线性、多变量强耦合以及参数不确定性等特点的高超声速飞行器模型,提出基于动态逆的高超声速飞行器滑模控制方法,设计俯仰通道多输入多输出(MIMO)系统控制律。基于反馈线性化方法对高超声速飞行器非线性模型进行处理,对系统存在的不确定性和外界干扰,采用滑模变结构控制策略进行补偿。引入非线性干扰观测器,对系统干扰进行观测,降低滑模控制项的增益,继而削弱滑模控制带来的抖振。仿真结果表明,所设计的控制律能够实现对指令信号的良好跟踪,具有较快的响应速度,能够保证系统在不确定存在情况下的稳定性和鲁棒性。     

高超声速飞行器滑翔再入性能评估

对高超声速滑翔再入飞行器性能评估的理论和方法进行了研究,并根据高超声速滑翔再入飞行器的特点,给出了高超声速滑翔再入飞行器性能评估的基本流程;通过对滑翔再入飞行器的系统分析,构建了该类飞行器的性能评估指标体系和评估模型;完成了性能评估软件的开发;对3种不同设计方案的性能进行了评估比较,结果表明该指标体系能够很好地反应此类飞行器的总体性能。