[发明专利]一种两级入轨高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计和优化方法

说明书

本发明公开了一种两级入轨高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计和优化方法，具体地：1)根据飞行器约束条件和任务要求，以降低法向过载为目标，提出了一种以马赫数为自变量，进行多次攻角转弯的上升段纵向轨迹设计策略；2)为实现多变量约束下的上升段轨迹优化，通过引入自适应适应度函数，利用自适应粒子群算法对设计的上升段纵向轨迹进行优化。本发明提出的高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计和优化方法有效降低了最大法向过载，具备良好的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及一种两级入轨高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计和优化方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

两级入轨可重复利用的载人新型高超声速飞行器是未来的研究热点，具有重要的军事战略意义和民用发展潜力。该类飞行器的首要任务是从地面上升到分离点，确保上面级与下面级安全分离，为上面级的二级入轨和下面级的回收使用创造良好的条件。

两级入轨可重复利用的载人新型高超声速飞行器多以固体火箭发动机助推的方式垂直发射，待燃料耗尽关机后滑行至分离任务窗口，实现两级安全分离。组合体在稠密大气层内飞行不仅受到动压、过载和攻角等路径约束，在分离任务窗口还面临严苛的位置和姿态等终端约束。为了降低过载设计难度，飞行过程中还需尽可能降低过载大小。本发明就是在此背景下提出的，综合考虑约束条件与任务要求，提出反应法向过载变化的马赫数-攻角控制方式对上升段纵向轨迹进行设计，并通过引入自适应适应度函数，采用自适应粒子群算法对设计的轨迹进行优化。

发明内容

为降低两级入轨可重复利用的载人新型高超声速飞行器在上升段的法向过载，本发明综合考虑约束条件与任务要求，提出一种反应法向过载变化的两级入轨高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计策略，通过引入自适应适应度函数，采用自适应粒子群算法对设计轨迹进行优化。

具体地，本发明提出的一种两级入轨高超声速飞行器上升段纵向轨迹设计和优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：建立两级入轨高超声速飞行器纵向质心运动方程：

式(1)中，P为发动机推力，D为阻力，L升力，V为飞行速度，θ_V为轨迹倾角，r为地心至飞行器质心的矢径r的模，g_r为沿矢径r反向的引力g_r的模，x,y为发射系中的位置分量，R为地球半径，h为飞行高度，m为飞行器质量，m₀为飞行器满载质量，为质量秒耗量。

步骤2：综合考虑约束条件与任务要求，采用多次攻角转弯控制方式，设计反应过载变化的马赫数-攻角剖面，具体为：

步骤2.1：设计攻角转弯函数如式(2)和式(3)：

α(Ma,α_m)＝α_msin²f(Ma),Ma_leftMaMa_right (2)

其中，Ma为马赫数，α为飞行器的攻角，α_m为攻角转弯的极值，Ma_m为α_m对应的马赫数，Ma_left和Ma_right分别为攻角转弯的起点马赫数和终点马赫数。

步骤2.2：确定第一次攻角转弯函数，具体为

当Ma＜Ma₁时，飞行器保持零攻角垂直发射。取Ma₁＝0.1；

当Ma₁≤Ma＜Ma₂，飞行器动压呈增大趋势，但是动压较小，进行第一次负攻角转弯使得法向过载变化相对较小；