重復使用運載器(Reusable Launch Vehicle,RLV)作為低成本、可靠的空天運輸手段,已經(jīng)成為世界各航天大國正在重點研究并進行多次實驗驗證的對象。重復使用運載器具有多次安全可靠進出大氣層及回收能力,并且能夠精確地將載荷送入軌道,因此可大幅度降低運輸、發(fā)射成本。但由于RLV具有跨空域、跨速域的飛行特點,其飛行過程中速度和高度變化較大、姿態(tài)變化劇烈,飛行器模型呈現(xiàn)強耦合和非線性等特點,同時外界存在嚴重干擾,模型參數(shù)存在不確定性,使得RLV控制系統(tǒng)設(shè)計成為其領(lǐng)域內(nèi)研究難點之一。本文針對RLV的上述難點問題,為實現(xiàn)RLV可靠安全再入,重點開展RLV再入姿態(tài)控制問題研究。定義了RLV再入段需要用到的坐標系、坐標系轉(zhuǎn)換關(guān)系、角度及角度幾何關(guān)系,針對RLV再入段的飛行特征,通過受力和力矩分析,建立了RLV再入數(shù)學模型,為了使模型可直接應用于現(xiàn)有的控制方法,對模型進行適當簡化,推導出RLV再入段面向控制系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)學模型。由于RLV再入段飛行高度變化大,速度和姿態(tài)變化劇烈,再入過程中大氣環(huán)境復雜,從而導致高速大姿態(tài)再入過程中氣動特性復雜。針對RLV的外形結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了三維模型,采用基于計算流體力學的方法對RLV氣動系數(shù)進行了模擬計算,得出氣動系數(shù)表。在建立模型時,將氣動系數(shù)中的攝動項處理為模型不確定性,通過干擾觀測器進行觀測補償,與傳統(tǒng)采用多項式擬合等方式進行處理相比,簡化了模型,提高控了制精度�？紤]到RLV在再入飛行階段,嚴重的外界干擾以及模型不確定性對系統(tǒng)有嚴重影響,文中提出基于自主學習干擾觀測器的姿態(tài)控制方法,處理存在大干擾、不確定性的RLV再入段系統(tǒng)的魯棒姿態(tài)控制問題。首先根據(jù)奇異攝動理論和時標分離原則,將RLV再入姿態(tài)模型系統(tǒng)分為內(nèi)、外環(huán)子系統(tǒng);然后分別設(shè)計基于Sigmoid函數(shù)的擴張狀態(tài)觀測器和自主學習干擾觀測器,觀測和補償系統(tǒng)中的不確定性和外界干擾帶來的影響;在此基礎(chǔ)上,分別設(shè)計內(nèi)、外環(huán)子系統(tǒng)改進的多元超螺旋滑模控制器,完成RLV再入段姿態(tài)跟蹤控制,實現(xiàn)了精確跟蹤制導指令,同時對系統(tǒng)中的抖動有效地抑制;最后,通過仿真對比分析基于不同觀測器的控制方案,驗證了本文所提出的控制方法的優(yōu)勢。針對RLV再入段可能出現(xiàn)綜合擾動(括執(zhí)行機構(gòu)故障、模型不確定性以及外界干擾等),提出基于Sigmoid函數(shù)的迭代學習干擾觀測器的自適應有限時間收斂容錯控制方法。文中首先針對RLV再入段的執(zhí)行機構(gòu)可能出現(xiàn)的故障類型進行分析并建立了故障力矩數(shù)學模型;然后設(shè)計一種新型基于Sigmoid的迭代學習干擾觀測器,用于對系統(tǒng)中存在的綜合擾動進行觀測和補償;在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種自適應有限時間收斂控制器,實現(xiàn)對RLV姿態(tài)有限時間跟蹤;最后設(shè)置不同的故障類型工況,對所提出的容錯控制方法的有效性和魯棒性進行了分析和驗證。針對RLV的多異類執(zhí)行機構(gòu)控制分配問題,提出了RLV多異類執(zhí)行機構(gòu)混合規(guī)劃控制分配方法。首先分析了RLV再入段的執(zhí)行機構(gòu)功能和特性;在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于序列二次規(guī)劃的氣動舵控制分配、基于Mamdani模糊控制及決策機制的RCS控制分配以及基于動壓剖面的異類執(zhí)行機構(gòu)分配方案;最終,設(shè)置不同工況,對文中提出的混合規(guī)劃控制分配策略與偽逆控制分配策略進行對比仿真實驗,驗證了所提出的混合規(guī)劃控制分配策略的合理性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

在其基礎(chǔ)上，完成了飛行試驗，同時驗證性[13]。中期，美國國家航天局展開基于火箭動力的運載研目分別為 X-33 和 X-34 項目。其中，X-33 是一架單級證機，通過對該項目的研究，能夠降低 RLV 技術(shù)風。在此基礎(chǔ)上，X-34 項目驗證機最大速度能夠達到 2的論證，單級入軌 RLV 的技術(shù)難度非常大，因此，V 技術(shù)[3]。~1999年7月，依照計劃，NASA與波音公司共同研衛(wèi)星軌道上飛行和再入大氣層能力的X-37B，如圖 1飛行到全球任何目標位置的“上空”，通過其攜帶的行器進行控制、抓捕甚至攻擊摧毀。該飛行器的最軍用雷達技術(shù)難以捕捉，因此其具有“軌道轟炸機”通過長達十年的試驗研究，X-37B 首次試飛成功。入軌道，在軌道飛行一周后，自主重返大氣層，滑翔界 RLV 研究的里程碑，同時標志著再入返回技術(shù)的日

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文一次的成功回收一級有動力垂直回收[14]。獵鷹9號子級，一子級在火箭的一、二級分離后垂直返回，道后再入大氣層垂直返回，其回收計劃如圖 1-2 所術(shù)的可行性，為運載器重復使用技術(shù)打下了堅實的eX 首次實現(xiàn)了回收的一級火箭的重復使用，進一步可行性以及技術(shù)的可實現(xiàn)性。2018年2月7號，重時回收著陸，標志著世界迎來了低成本的航天時代

級助推火箭同時回收著陸，標志著世界迎來了低成本的航天時代。圖 1-2 獵鷹9號回收計劃Fig. 1-2 Falcon 9 recycle plan2019 年 4 月 12 日，SpaceX 第二次發(fā)射獵鷹重型火箭，這也是第一次進行商射，獵鷹重型火箭由 SpaceX 公司位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心發(fā)射臺，它由三枚獵鷹 9 號火箭組成，并排放置，共有 27 個引擎，可產(chǎn)生 2313 噸。在發(fā)射后 2 分 36 秒左右，三枚助推器成功分離，其中兩側(cè)的助推器在佛羅州海岸線的混凝土平臺著陸，中心助推器在大西洋的無人駕駛回收船上著陸， 1-3 所示。
【參考文獻】

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本文編號：2849256