[发明专利]一种空天飞机高空爬升纵向控制方法

说明书

技术领域

本发明属航空航天控制领域，涉及一种空天飞机在高空爬升时的纵向控制方法。

背景技术

空天飞机的概念于20世纪80年代初提出。随着空间活动的增加，特别是载人航天的发展，一次性使用火箭、飞船和航天飞机的高额发射费用日益成为大规模开展空间活动的“瓶颈”，迫切需要一种既能像普通飞机一样起降又能往返于天地之间的经济、安全的飞行器，这就是空天飞机。它既能完成民用航空航天任务，又能执行多种军事航空航天任务，将是21世纪控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一，是一种具有广阔发展前景的载人航天兵器，将为未来战争带来重大变革。

空天飞机由载机携带到一定高度进行投放，投放后，火箭发动机点火，空天飞机迅速拉起，进行迅速爬升，当燃油消耗完后，发动机停机，进入无动力爬升阶段，达到预定高度和轨道。在大气层内爬升飞行时，由于巨大的发动机推力，空天飞机在爬升过程中爬升迅速，飞行速度和高度急剧变化，从亚音速到高超音速，使空天飞机的气动特性产生急剧变化，空天飞机的升力特性、焦点及操纵面效率都会产生急剧变化。为了达到预定的高度，空天飞机需携带大量的燃料，这些燃料在爬升过程中快速消耗掉。因此会引起爬升过程中空天飞机的重量，重心和惯矩的急剧而大幅度的变化。这些变化会对空天飞机的操纵稳定特性和动态响应特性产生较大的影响。

对于高空爬升段空天飞机的控制律设计问题，通过对各项数据进行详细分析，可以看出爬升段设计中主要面临如下困难：(1)高度和速度协调控制问题。由于巨大的发动机推力，空天飞机速度上升很快。爬升段控制目标为：飞行高度超过预先制定的高度范围，飞行速度则应小于机体结构限制的最大马赫数要求。因此如何实现高度和速度协调控制是设计的一个难点。(2)长周期不可控问题。在高空高速的范围内，由于空气密度急剧减小，导致速度变量一直是快速增大的，且爬升角难以控制。即在此范围内，外环长周期不能控的问题。(3)如何针对短周期变量，设计合适的控制目标，如攻角和俯仰角速率跟踪曲线，以实现爬升段的控制，也是面临的问题之一。

从上面的分析可以看出，空天飞机高空爬升段与传统飞机控制模式是不同的，但公开发表的文献尚没有相关控制方法。因此，有必要寻找一种新的方法来完成空天飞机高空爬升控制，解决上述三个难点，即设计攻角和俯仰角速率跟踪曲线和适于工程应用的控制方法，以实现速度和高度的协调控制，并且满足俯仰角和过载限制，克服飞机控制中的调参问题，从而降低设计的复杂程度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可协调控制性好、满足俯仰角和过载限制、可进行六自由度控制的空天飞机高空爬升纵向控制方法。

本发明的技术解决方案是：一种空天飞机高空爬升纵向控制方法，步骤如下：

(1)按照空天飞机动力学方程和高空气动特点，确定空天飞机高空爬升速度上升曲线；

(2)根据步骤(1)得到的速度上升曲线，得到爬升角γ的跟踪曲线；

(3)根据步骤(2)得到的爬升角γ的跟踪曲线确定攻角α的跟踪曲线；

(4)确定俯仰角速率q的跟踪曲线；

(5)根据步骤(3)和(4)的结果，确定攻角α和俯仰角速率q的跟踪控制律。

所述步骤(1)中得到的空天飞机高空爬升速度上升曲线方程为：

V·=Pm-μr2sinγ]]>

其中，V为空天飞机的爬升速度，P为空天分机受到的推力，m为空天飞机的质量，μ为地球引力常数，r为空天飞机距地心的距离，γ为空天飞机的爬升角。

所述步骤(2)中得到的爬升角γ的跟踪曲线方程为：