[发明专利]可重复使用运载器全阶段再入返回制导方法

说明书

本发明属于航空航天飞行器制导领域，为使得RLV在受到外界扰动和不确定因素影响的情况下，仍能够获得使轨迹严格满足热流、过载及动压约束的制导指令，最终以恰当的速度在指定的跑道位置着陆。为此，本发明采取的技术方案是，可重复使用运载器全阶段再入返回制导方法，步骤如下：第一部分，初始下降段制导；第二部分：下滑段制导；第三部分：终端能量管理段制导；第四部分：自动着陆段制导：在横向上，保持倾侧角为0；在纵向上，自动着陆段设计为由拟平衡下滑段和指数下滑段组合而成，通过设计航迹角函数确定攻角指令，并通过割线法设计两段切换点处的高度，使RLV能够以预定的速度及航迹角触地。本发明主要应用于航空航天飞行器制导场合。

技术领域

本发明属于航空航天飞行器制导领域，特别是涉及一种可重复使用运载器全阶段再入返回制导方法。

背景技术

可重复使用运载器(RLV，Reusable Launch Vehicle)是指能够自由往返于地球与空间轨道之间执行载荷运送任务的多用途可重复使用飞行器。RLV全阶段再入返回过程从120千米开始，到地面结束，整个再入返回过程飞行包线大，高度跨越太空域，亚轨道和航空域，速度跨越高超声速，超声速和亚声速。单一的再入返回制导方法无法在如此复杂的飞行环境下完成安全返回着陆任务，因此一般将再入返回过程分为三个阶段：再入段(120km-25km)、终端能量管理段(25km-3km)和自动着陆段(3km-地面)。

在再入段，RLV需要在具有极大初始再入动能和势能的条件下，经历高超声速向亚声速的过渡，需要严格满足再入过程的热流约束、动压约束和过载约束，是保证RLV实现安全稳定再入飞行较为关键的一段。根据飞行特点，再入段又可以分为初始下降段(120km-80km)和下滑段(80Km-25km)。在初始下降段，大气密度稀薄，RLV不满足拟平衡滑翔条件，需要设计倾侧角指令，使得RLV能进入拟平衡滑翔条件；在下滑段，RLV跨越大气层，在严格满足各种约束的同时，实现能量耗散，最终精确地进入终端能量管理段初始窗口。

在终端能量管理段，RLV需要耗散再入段结束后RLV所具有的能量，同时调整航向使其对准跑道，保证RLV能够以合适的高度、速度、位置、航向等状态约束条件进入预定的着陆窗口，终端能量管理段区别于另外两个飞行阶段的主要特征是存在航向校正锥来进行航向校正，通过将航天器与航向校正锥相切，设计倾侧角指令，实现能量的耗散并调整航向使RLV对准跑道。

自动着陆段是再入返回飞行过程的最后阶段，它的完成标志着整个再入返回飞行过程的圆满结束，该段主要追求的目标是RLV能够以合理的速度、位置和下沉率在指定的跑道位置安全可靠地着陆。

目前，针对RLV全阶段再入返回制导问题，国内外的学者都只是针对再入返回阶段中的某一阶段进行制导律设计而缺乏全阶段再入返回制导方法，导致存在模型及气动参数不统一，多段之间切换点处存在状态量跳变等问题。因此，针对上述问题，本发明对于全阶段再入返回制导律进行了设计，在统一的运动学模型和气动参数下，分别设计了再入段、终端能量管理段及自动着陆段的制导方法并设置了各个段之间的切换条件，使RLV能克服外界扰动不确定性从而实现实现120千米到地面的RLV全阶段再入返回。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种RLV全阶段再入返回制导方法，使得RLV从120km开始，在受到外界扰动和不确定因素影响的情况下，仍能够获得使轨迹严格满足热流、过载及动压约束的制导指令，最终以恰当的速度在指定的跑道位置着陆。为此，本发明采取的技术方案是，可重复使用运载器全阶段再入返回制导方法，步骤如下：

第一部分，初始下降段制导：设计固定的倾侧角指令，使可重复使用运载器RLV能够进入拟平衡滑翔条件，并以RLV进入拟平衡滑翔条件状态点作为下滑段初始状态点；

第二部分：下滑段制导：考虑下滑段过程约束以及终端约束，通过设计攻角-速度剖面及基于终点预测偏差的倾侧角校正方法，完成约束条件下的三维预测校正制导律设计，以RLV积分至下滑段终端能量处实际状态点作为终端能量管理段初始状态点；