[发明专利]一种利用气动力辅助的超轨道速度飞行技术方法

权利要求书

1.一种利用气动力辅助的超轨道速度飞行技术方法，其特征在于，所述的方法具体步骤如下：

步骤一、基于高升阻比飞行器，建立飞行器以超轨道速度飞行时的受力平衡图和飞行动力学模型；

步骤二、基于等高、等速假设，计算飞行器能够达到的超轨道飞行速度；所述的步骤二具体为：

2.1，根据等高、等速飞行的假设，飞行过程中需要满足约束dγ/dt＝0和dv/dt＝0，将这两个约束与方程组(1)相结合可得到如下形式的约束关系式：

由于等高飞行时γ＝0，因而方程(2)和(3)可进一步简化为：

由方程(4)可知，推力能够表示为：

将推力表达式(6)代入到式(3)得到如下关系式：

由式(7)可解出飞行器的超轨道速度为：

2.2，根据上述式(8)可知，飞行器的超轨道速度是轨道高度、飞行器的升力系数、阻力系数、参考面积、攻角和质量的函数；通过调整这些参数，即得到不同的超轨道速度；在飞行过程中，飞行器质量会由于燃料消耗而逐渐变小，因而攻角需要进行相应变化，使升力与飞行器质量相匹配；

2.3，为了便于描述超轨道飞行速度的大小，引入轨道速度放大比概念，轨道速度放大比定义为：η＝v/v_o，即飞行器在利用指向地心的气动力情况下能够达到的超轨道速度v与忽略气动力时这一高度对应的轨道速度v_o的比值；

步骤三、基于等高、等速假设，建立超轨道速度飞行器的燃耗计算方法；所述的步骤三具体为：

3.1，当飞行器以等高、等速方式进行超轨道速度飞行时，采用推力平衡气动阻力；在任意时刻，推力大小由方程(6)确定；假设采用推力可调的液体火箭发动机提供推力抵消气动阻力，那么飞行器的质量变化率为：

其中：I_sp为发动机的燃料比冲，g₀为海平面重力加速度；

3.2，随着燃料消耗，飞行器的质量减小，维持等高、等速飞行需要的升力变小，即攻角减小，阻力也相应减小，进而导致需要的推力也随之减小；在超轨道速度飞行过程中，攻角α通过迭代求解以下非线性方程得出：

3.3，将方程(9)从t₀＝0积分至t_f＝rθ_f/v能够得到飞行器的燃料消耗，其中θ_f为超轨道速度飞行器需要飞行的航程角，由具体任务给定；

步骤四、针对给定的超轨道速度，采用优化方法求解燃耗最优飞行轨道的参数，即采用优化方法确定燃耗最优的轨道高度和相应的飞行攻角。

2.根据权利要求1所述的一种利用气动力辅助的超轨道速度飞行技术方法，其特征在于，所述的步骤一，其中气动升力指向地心，气动阻力采用推力予以平衡，具体方程如下：在纵向平面内，决定飞行器运动的微分方程组为：

其中：μ为地球引力常数；C_L为飞行器的升力系数；C_D为阻力系数；α为飞行攻角；r为飞行器的质心距离地心的距离；v为飞行器相对地球的速度；θ为飞行航程角；γ为飞行航迹角；S_ref为计算升力和阻力的参考面积；m为飞行器的质量；t为时间；ρ为大气密度；P为火箭发动机的推力；I_sp为火箭发动机的燃料比冲；g₀为海平面的重力加速度。

3.根据权利要求1所述的一种利用气动力辅助的超轨道速度飞行技术方法，其特征在于，所述的步骤四中，对于给定的超轨道速度要求，以最省燃料作为目标函数，采用优化方法对轨道高度和飞行攻角进行优化，由于飞行攻角沿轨道连续变化，一旦初始攻角确定，其变化规律可由等高、等速飞行方案解出，因此只需要对轨道高度和初始攻角进行优化。