平稳滑翔/准自然频率跳跃滑翔组合机动突防弹道规划方法

摘要

一种平稳滑翔/准自然频率跳跃滑翔组合机动突防弹道规划方法，它包括以下步骤：1：再入滑翔纵向动力学建模；2：跳跃滑翔弹道高度振幅解析解；3：含高度振幅反馈的弹道阻尼控制方法设计；4：平稳滑翔参考攻角和倾侧角设计；5：准自然频率跳跃滑翔模态切换方案设计；最终获得了平稳滑翔/准自然频率跳跃滑翔组合机动突防弹道规划方法。本发明获得了解析的再入弹道高度振幅解析表达式，具有很高的求解精度，实现了对再入弹道高度振幅的精确控制；控制方法简单效率高。

主权项

一种平稳滑翔/准自然频率跳跃滑翔组合机动突防弹道规划方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：步骤1：再入滑翔纵向动力学建模忽略地球自转，高超声速飞行器再入滑翔弹道的纵向运动方程，如下所示：$\stackrel{·}{h}=Vsin\gamma$$\stackrel{·}{V}=-a_D-gsin\gamma$$\stackrel{·}{\gamma }=\frac{1}{V}[a_{L1}+\left(V^2/r-g\right)cos\gamma ]$上式中，h、V、γ分别为再入飞行器的高度、速度、弹道倾角；分别为再入飞行器的高度、速度和弹道倾角对时间的导数；r为从地心至飞行器的径向距离，与高度的关系为h＝r‑R₀，其中R₀为地球半径；g为重力加速度；步骤2：跳跃滑翔弹道高度振幅解析解定义平稳滑翔高度增量和弹道倾角增量分别如下：Δh＝h‑h_sg···············Δγ＝γ‑γ_sg···············上式中，Δh和Δγ分别为平稳滑翔高度增量和弹道倾角增量；h_sg和γ_sg分别为平稳滑翔高度和弹道倾角；由于再入过程中弹道倾角包括平稳滑翔弹道倾角为小量，因此假设sinγ_sg≈γ_sg，sinγ≈γ，cosγ_sg≈cosγ≈1，从而得平稳滑翔高度增量和弹道倾角增量的关系如下：$\frac{d\Delta h}{d\Delta \gamma }=\frac{\Delta \gamma }{k_{L1}(e^{-{\beta }_h\Delta h}-1)}\mathrm{.............}$上式中，k_L1为平稳滑翔高度相关的量；β_h为指数大气模型常数；对上式进行积分得：$-\frac{k_{L1}}{{\beta }_h}(e^{-{\beta }_h\Delta h}-e^{-{\beta }_h{\mathrm{\Delta h}}_0})-k_{L1}(\Delta h-{\mathrm{\Delta h}}_0)=(\frac{{\mathrm{\Delta \gamma }}^2}{2}-\frac{{\mathrm{\Delta \gamma }}_0^2}{2})$上式中，Δh₀和Δγ₀分别为定义平稳滑翔高度增量和弹道倾角增量的初值；上式中若取Δγ＝0，则求得高度增量的最大值Δh_max和最小值Δh_min，从而获得跳跃滑翔弹道高度振幅解析解；步骤3：含高度振幅反馈的弹道阻尼控制方法设计在获得高度振幅的解析解之后，下一步的工作则是对高度振幅进行精确控制；由阻尼影响分析可知，当ζ_c＞‑0.028时，高度振幅随时间逐渐减小；当ζ_c＜‑0.028时，高度振幅随时间逐渐增大；当ζ_c＝‑0.028时，高度振幅几乎不变，因此，能构造如下反馈：ζ_c＝‑0.028+k_h(|Δh_min|‑A_need)···········上式中，ζ_c为由高度振幅反馈获得的滑翔弹道阻尼；A_need为期望高度振幅；|Δh_min|为实际预测振幅；k_h为高度相关常数，单位为m^‑1；为了防止振幅剧烈变化，同时避免过阻尼，还需将上获得的阻尼进行限幅，当ζ_c大于0.8时，取ζ_c＝0.8；当ζ_c小于‑1时，取ζ_c＝‑1；将上带入改进弹道阻尼控制方法后得高度振幅反馈的弹道阻尼控制方法如下：$C_{L1}=C_{L1}^{*}(1-2{\zeta }_c\sqrt{\frac{{\beta }_{h}r}{gr/V^2-1}-\frac{1}{K_{ref}}})e^{{\beta }_h\Delta h}\Delta \gamma \mathrm{........}$上式中，为参考纵向升力系数分量；C_L1为纵向升力系数分量；K_ref为由参考攻角和参考倾侧角决定的纵向升阻比；步骤4：平稳滑翔参考攻角和倾侧角设计为了使得再入滑翔弹道满足再入过程约束与终端约束，首先需要设计平稳滑翔所需的参考攻角曲线α_ref和倾侧角曲线σ_ref；参考攻角曲线的设计原则是既能满足飞行任务所需的射程覆盖范围，又留有启动准自然频率跳跃滑翔所需的攻角调整余量；在获得参考攻角曲线α_ref后，利用平衡滑翔条件获得的倾侧角走廊的上边界，只要所选择的参考倾侧角曲线位于上述走廊内，则所获得的滑翔弹道满足过程约束；调整参考倾侧角绝对值的大小能改变再入滑翔飞行距离，而调整倾侧角的反转点t_c1和t_c2则使得滑翔弹道满足终端经纬度约束；步骤5：准自然频率跳跃滑翔模态切换方案设计当飞行器遭遇不可从顶上越过、且无法侧向绕飞的禁飞区时，需要采用准自然频率跳跃滑翔进行机动突防；若滑翔弹道与禁飞区中心的距离S_radius小于禁飞区半径R_nofly，且飞行器与禁飞区边界的距离S_dist小于临界距离S_lim，则需切换到准自然频率跳跃滑翔模态；此时，跳跃滑翔参考攻角为平稳滑翔参考攻角曲线α_ref的基础上额外增加Δα，该Δα为启动准自然频率跳跃滑翔的攻角增量，由期望高度振幅确定；此外，在平稳滑翔模态下，飞行器的滑翔弹道阻尼取0.8，能较好的抑制弹道振荡；而在准自然频率跳跃滑翔模态下，飞行器的滑翔弹道阻尼高度振幅反馈确定；通过上述5个步骤，最终获得了本发明所述的一种平稳滑翔/准自然频率跳跃滑翔组合机动突防弹道规划方法。