[发明专利]一种无动力飞行器的进场着陆轨迹的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器飞行控制领域，具体地说是指一种无动力飞行器的进场着陆轨迹的优化设计方法。

背景技术

无动力飞行器的着陆控制技术在航天、航空领域都是一种关键性技术。航天领域，航天飞机及未来的空天飞机由绕轨道飞行返回地球的飞行过程为无动力飞行过程。航空领域，由于发动机出现故障而使得有人机或无人机失去动力的飞行过程也为无动力飞行过程。如何确保飞行器在无动力情况下能安全着陆是飞行控制领域的重要研究课题。

对于无动力飞行器，进场着陆过程是最为复杂的一个环节。该过程飞行器在飞行控制系统的作用下，需精确跟踪高度给定指令，沿着预先设计的着陆轨迹飞行，保证接地时各飞机相关参数均满足接地性能指标。由于着陆全程为无动力飞行过程，飞行器不能复飞，那么如何合理地利用现有的能量，保证飞行器可以在给定的最恶劣风干扰环境下仍能安全着陆，这与飞行控制系统的优劣直接相关。又由于飞行控制系统是基于给定的着陆轨迹进行设计，因此如何设计理想的进场着陆轨迹，对无动力飞行器能否安全着陆起到至关重要的作用。

无动力飞行器的进场着陆过程可划分为深下滑段、拉平段和地面滑跑段，如图1所示，其中深下滑段的着陆轨迹为一条斜线，拉平段的着陆轨迹由圆弧拉起轨迹、指数拉起轨迹及浅下滑轨迹组成。在深下滑段，飞行器以恒定的动压沿着固定的轨迹倾角下滑，称该过程为拟平衡飞行过程。对于空天飞机，由于该类飞行器的升阻比较小，滑翔性能差，因此深下滑轨迹倾角较大，通常在16°～22°之间。为保证飞行器接地前具有较小的升降速度，需使飞行器接地时具有较小的轨迹倾角。在拉平段，设计圆弧拉起轨迹、指数拉起轨迹和浅下滑轨迹，其中圆弧拉起轨迹的作用是逐步减小轨迹倾角，使深下滑段的轨迹倾角逐渐过渡到浅下滑段的轨迹倾角，但是圆弧拉起段与浅下滑段之间的法向加速度并不连续，因此通过引入指数拉起轨迹来达到平滑过渡的目的。

通常飞行器起落架的放下过程在进场着陆段完成。由于飞行器起落架放下过程的气动数据具有较大的不确定性，这对飞行控制系统的控制性能具有较大的影响，为避免起落架放下过程的气动数据对着陆安全性能带来过大的影响，选在深下滑阶段的某个高度开始放下起落架，在飞行器进入拉平段之前，确保起落架已完全放下并达到新的平衡状态。起落架放下过程中，深下滑轨迹倾角不变，但飞行器动压需在阻力板通道控制律的作用下调整到新的平衡动压。

国内外学者对于着陆轨迹的设计问题也做了相关研究。中国学者Liu对有动力轮式起降无人机的着陆轨迹设计问题进行了研究，但其设计方法对于无动力着陆的飞行器并不适用。美国学者Gregg和Steven针对X-34的着陆轨迹设计进行了研究，但是在进行深下滑段着陆轨迹设计时，并没有考虑飞行器所受的气动力矩，在进行拉平段着陆轨迹设计时，也没有考虑各气动舵面对着陆轨迹的影响，再者在整个着陆轨迹设计过程中，也没有考虑起落架放下过程对着陆轨迹的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种无动力飞行器的进场着陆轨迹的设计方法。根据飞行器所受的气动力和力矩，建立深下滑拟平衡条件，采用优化算法设计深下滑着陆轨迹，并在此基础上设计拉平着陆轨迹。在设计拉平着陆轨迹时，首先假设已知拉平起始点高度，并根据飞行器的气动特性及接地指标要求，确定圆弧轨迹过载、浅下滑轨迹倾角及浅下滑起始点高度，然后利用几何关系推导出轨迹中的其它轨迹参数与圆弧轨迹结束点的轨迹倾角的关系式，之后再求解出圆弧轨迹结束点的轨迹倾角，最终设计出拉平着陆轨迹。为设计出理想的拉平着陆轨迹，需通过优化算法寻找合适的拉平起始点高度，沿该着陆轨迹进行轨迹推演，使得接地动压为理想接地动压。深下滑着陆轨迹和理想的拉平着陆轨迹构成最优进场着陆轨迹。

一种无动力飞行器的进场着陆轨迹的设计方法，具体实施步骤如下：

步骤一：建立无动力飞行器的纵向运动方程；

步骤二：建立深下滑拟平衡条件；

步骤三：设计深下滑段着陆轨迹；

步骤四：设计拉平段着陆轨迹；

步骤五：对拉平段着陆轨迹进行轨迹推演；

步骤六：估算理想接地动压；

步骤七：优化设计拉平段着陆轨迹；

步骤八：最优进场着陆轨迹；

本发明的优点在于：

(1)深下滑着陆轨迹设计过程中，考虑了飞行器所受的气动力矩，建立了拟平衡非线性方程组，采用优化算法进行轨迹设计，提高了迎角的安全裕度及各气动舵面的操纵裕度；

(2)拉平着陆轨迹设计过程中，考虑了各气动舵面对着陆轨迹的影响，降低了顺逆风干扰对飞行器接地状态的影响；