【摘要】：高超聲速滑翔飛行器憑借其長航程、強突防和高打擊精度等優(yōu)勢,現(xiàn)已成為世界各大軍事強國必爭之地并已上升至國家戰(zhàn)略層面。變質心控制技術依靠內部可移動滑塊實現(xiàn)姿態(tài)控制和彈道機動目的,能夠良好解決氣動舵面燒蝕、氣動外形保持、側噴擾流和燃料限制等工程應用難點,使其在高超聲速再入彈頭以及高超聲速滑翔飛行器的機動控制領域具有明顯應用優(yōu)勢。單滑塊布局在滿足控制性能要求的前提下能夠減少執(zhí)行機構數(shù)量以優(yōu)化飛行器內部結構,同時經(jīng)濟節(jié)約制造成本,成為目前較有應用前景的構型方案。因此,本文針對一種單滑塊滾控式變質心高超聲速飛行器,考慮其屬于欠驅動耦合非線性系統(tǒng)且具有固定配平攻角等特有屬性,圍繞高突防、強穩(wěn)定和高精度末段再入打擊任務中的動力學、制導與控制問題展開研究。首先,考慮地球自轉和非球形攝動影響,基于質點系動量定理和動量矩定理建立了完整的系統(tǒng)空間運動模型,揭示了變質心控制的特點;考慮高超聲速再入飛行環(huán)境下不能沿用傳統(tǒng)線性氣動系數(shù)假設,基于CAV-H飛行試驗氣動數(shù)據(jù)建立了氣動升力系數(shù)和阻力系數(shù)模型;鑒于俯仰通道無主動控制輸入特點,基于Lyapunov第一法分析了包括滑塊安裝位置和質量比在內的滑塊參數(shù)對氣動縱向靜穩(wěn)定性和配平攻角的影響,推導了穩(wěn)定性判據(jù)和配平攻角解析表達式,分析結果為滑塊參數(shù)設計提供了量化參考。接著,考慮到飛行器依靠滾轉調整升力面方向實現(xiàn)傾斜轉彎機動,設計了滾轉單通道自抗擾控制器以完成滾轉角指令跟蹤,并與線性經(jīng)典控制器進行了結果對比分析;考慮到整個飛行器在通道交叉耦合和滑塊慣性耦合下屬于強非線性、強耦合系統(tǒng),進行了三通道耦合動力學特性分析并針對分析結果所揭示的不能忽略側滑角鎮(zhèn)定控制問題,提出了滾/偏耦合欠驅動自抗擾控制器,基于粒子群優(yōu)化算法進行了多控制器參數(shù)優(yōu)化,解決了單個滑塊控制輸入同時實現(xiàn)指令滾轉角跟蹤和側滑角鎮(zhèn)定控制的此類飛行器的欠驅動控制難點問題,充分利用了單滑塊的耦合控制能力。然后,考慮到所研究飛行器配平升力不可調節(jié)導致無法沿用傳統(tǒng)俯仰-轉彎雙平面解耦的制導律設計思路,建立了適應此類飛行器的三維制導模型,并設計推導了能夠解決剩余升力問題的一般情況下的滾轉制導律以提高末端打擊精度;考慮到現(xiàn)代戰(zhàn)場對飛行器突防能力和制導系統(tǒng)魯棒性能的更高要求,充分利用飛行器的螺旋彈道特性,設計了螺旋機動突防誤差角指令并提出了自適應滑模滾轉制導律以跟蹤誤差角指令,該制導律能夠滿足末段制導精度要求、機動突防要求和抗干擾能力要求。最后,考慮到實際再入打擊任務是在制導系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合作用下完成,設計了“自適應滑模滾轉制導+滾/偏耦合欠驅動控制”的制導控制六自由度聯(lián)合數(shù)字離散仿真方案,并設計了兩套控制器參數(shù)以滿足全彈道控制器適用性;六自由度攝動仿真結果表明所提出的控制器能夠真實有效解決側滑耦合擾動以及其他不確定性因素影響并穩(wěn)定跟蹤制導指令,所提出的制導律也能夠聯(lián)合完成高突防、強穩(wěn)定和高精度的末段再入打擊任務。
【圖文】：

圖 1-1 變質心滾控式構型方案[16]2000 年美國的 Chadwick 等人[17]首次將變質心控制應用在了動能攔設計了沿彈體三軸平移運動的三滑塊全驅動構型方案。Menon 等004 年在 Chadwick 的研究基礎上建立了九自由度運動模型，并針性化后的系統(tǒng)基于極點配置法設計了一套制導控制一體化方案，仿明在小滑塊偏移情況下能夠完成目標攔截且能相對提高攔截精度。[19]于 2006 年進一步研究了有限視野下的魯棒制導控制一體化系統(tǒng)魯棒非線性控制問題轉化為微分博弈問題并利用多步法進行求解，表明在目標存在不確定性情況下仍然能夠實現(xiàn)攔截。2009 年 Men]繼續(xù)針對此種三滑塊構型的動能攔截彈，采用狀態(tài) Riccati 方ate-Dependent Riccati Equation, SDRE）設計了制導控制一體化方案果表明該方法具有控制高效性且能夠將脫靶量控制在遠小于攔截彈內。2008 年佐治亞理工大學的 Rogers 和 Costello[21,22]研究了橫向移運動單滑塊對彈丸動力學和運動學特性的影響。其中，在橫向作

用以反映阻力系數(shù)和升力系數(shù)分別單獨隨攻角和馬赫數(shù)的變化情況。從圖2-3a)中可以看到，阻力系數(shù)與攻角成近似二次函數(shù)變化關系，與馬赫數(shù)成近似負指數(shù)變化關系；從圖 2-3b)中可以看到，，升力系數(shù)與攻角成近似線性
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1;V448

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本文編號：2626569