[发明专利]一种基于航程微分运动模型的ASV分离轨迹设计方法

说明书

本发明属于飞行器轨迹设计技术领域，涉及一种基于航程微分运动模型的ASV分离轨迹设计方法。本发明针对背负式两级入轨空天飞行飞行器达到分离窗口前的分离轨迹设计问题，首先考虑到空天飞行器分离所需要的分离窗口特性，以分离法向过载为零的终端约束，提出了使空天飞行器按抛物线形状的轨迹进行爬升的策略。后对抛物线分离轨迹策略分析研究，提出了一种可以根据已知轨迹形状下，基于航程微分动力学模型的剖面设计策略，并通过Matlab进行仿真实验验证了所设计的策略的可行性。本发明的方法能够在基本保证原有精度的同时对算法运行效率有很大的提升，为空天飞行器分离轨迹设计问题提供一种新的可能有效，具有广阔应用前景。

技术领域

本发明属于飞行器轨迹设计技术领域，涉及一种基于航程微分运动模型的ASV(背负式空天飞行器)分离轨迹设计方法。

背景技术

飞行器的飞行轨迹又称为任务剖面，设计飞行器的飞行轨迹的基本原则是将任务剖面分解，计算出各飞行段内每时刻的飞行参数。

空天飞行器是采用吸气式组合动力，具有升力式构型和水平起降等典型特征，能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间自由往返飞行的重复使用飞行器。相对于传统运载方式，空天飞行器优势在于：

(1)可充分利用大气层的氧气，降低氧化剂携带量，提升运载效率；

(2)采用有翼升力式构型，提升应急情况下的返场能力；

(3)采用可在常规机场水平起降，简化发射及返回配套需求；

(4)完全重复使用，形成航班化的发射模式，大幅降低发射成本。

空天飞行器突破了传统航空器的速度、高度极限和传统航天器的飞行模式，既可作为天地往返运输工具，又可作为高超声速武器平台，是未来空天一体化作战的核心装备、维护国家安全的大国重器。与单级入轨方案相比，两级入轨更强的工程实现性，是目前发展的核心。两级入轨空天飞行器采用背负式方案，组合体在一子级吸气式发动机助推下水平起飞、加速爬升至临近空间，一二级高速分离，分离后二子级加速入轨执行任务，一子级自主返场着陆。背负式两级入轨空天飞行器构型如图1所示，对于两级入轨空天飞行器，其在分离发生前，一定要经过分离轨迹上升这个过程，分离轨迹是保证飞行器能够按照设计指标顺利到达预定的分离窗口，保证分离任务完成的基础，因此分离轨迹的设计是两级入轨空天飞行器研究中的重点内容之一。

背负式两级入轨空天飞行器的飞行剖面图如图2所示空天飞行器以涡轮模态从普通机场水平起飞，加速爬升至10km后保持这一高度加速跨过音障，当速度达到Ma3.5时发动机转换为冲压模态，之后以冲压模态加速爬升至Ma6/30km后飞行器两级分离，一子级返回发射机场，二子级以火箭动力继续加速爬升至Ma25/200km进入轨道。空天飞行器的分离机制可分为三个主要阶段，各阶段的特征有很大差异：

(1)从稳定巡航状态转换为上升状态；

(2)延伸至轨道级并准备释放；

(3)从轨道级处完成释放，以实现两级之间的平移，之后，可进行气动飞行(无干扰)。

背负式空天飞行器的两级分离过程如图3所示，其分离主要阶段以及各阶段可能存在的问题如下：

(1)两台轨道机动系统(OMS)发动机同时点火，单台最大推力为50kN，在此过程中需要注意纵向转矩和废气对一子级的影响。

(2)二子级机械抬升角达到8°，二子级和一子级间隙内的高压将造成很大的气动阻力，这可能会导致在二子级释放之后产生转动问题。若攻角增大时转动控制不当，将会导致二子级的后部向下转动，增加与一子级相撞的风险。

(3)二子级主火箭发动机点火，推力限制在其标准推力的10％，该阶段可能出现的问题与第一阶段相同。

(4)二子级的机械释放对两级均会造成气动干扰，因此二子级释放之后的主要任务就是使两级飞行器尽快分开一定距离。