高超声速飞行器复杂约束滑翔机动弹道规划方法研究

This project will study the gliding maneuver trajectory planning approaches based on the evolved drag acceleration flight profile in order to solving the problems of multiple constraints, maneuver mission requirements, and the uncertainty of the parameters in the flight of the hypersonic vehicle. Firstly, the model of gliding maneuver trajectory planning with multiple constraints will be built, which provides the basis for the study of planning approach. Then, the design approaches of three-dimensional gliding maneuver flight corridor will be studied, and both the generation strategy of the evolved drag acceleration flight profile and the rapid prediction of maneuver capability based on the profile can also be proposed. Thirdly, multiple maneuver models will be built considering the real applications, and the corresponding maneuver strategy can be designed, based on which we can propose the gliding maneuver trajectory planning approaches satisfying the requirements of multiple maneuver missions; Lastly, in order to solve the problem of the uncertainty of the parameters in guidance, a three-dimensional “conservative flight corridor” will be built, and the flight profile can be designed and optimized in the conservative corridor. Hence, the 3D trajectory can be completed by following the flight profile. This project aims to solve the key problems in gliding maneuver trajectory planning for hypersonic vehicles and to provide a theoretical basis and technical support for its further development. The research work can also provide a technical reference for the reentry of missile, reentry of airship, landing on the moon and the exploration of the Mars.

针对高超声速飞行器滑翔机动飞行过程中的多约束、机动任务要求、参数扰动等难点问题，研究基于扩展阻力加速度飞行剖面的滑翔机动弹道规划方法。首先，构建复杂多约束滑翔机动弹道规划模型，为规划方法研究奠定基础；然后，研究三维滑翔机动飞行走廊构建方法，提出面向滑翔机动要求的扩展阻力加速度飞行剖面生成策略，并建立机动能力快速预测模型；其次，从实际应用的角度构建不同的机动任务模型，设计相应的机动策略，提出满足不同机动任务要求的扩展阻力加速度飞行剖面滑翔机动弹道规划方法；最后，针对高超声速飞行器滑翔机动过程中的参数扰动问题，构建三维“保守飞行走廊”，进而在保守飞行走廊内设计参考飞行剖面，通过跟踪该剖面获得滑翔弹道。本项目旨在解决高超声速飞行器滑翔机动弹道规划过程中的关键理论问题，为高超声速飞行器弹道规划提供理论基础和技术支持，亦为导弹再入机动、飞船再入、月球登陆、火星探测等弹道规划问题的研究提供技术参考。

高超声速滑翔飞行器是一种在临近空间以5马赫以上速度滑翔飞行的大升阻比无动力飞行器。弹道规划是高超声速滑翔飞行器的关键技术之一，而复杂约束、机动任务要求以及参数扰动是弹道规划过程中面临的主要难点问题。.项目针对传统基于二维阻力加速度剖面的弹道规划方法在解决上述难点问题时存在的不足，研究提出了基于三维剖面的滑翔弹道规划方法。主要研究工作包括：（1）复杂约束滑翔弹道规划建模。推导建立了换极运动模型，避免了一般运动模型存在的奇异问题并简化了弹道规划算法；建立了复杂约束条件描述模型并开展了影响分析；分析了典型滑翔弹道特性；搭建了飞行器动力学仿真与弹道规划平台，支持开展弹道规划问题仿真实验。（2）基于三维剖面的滑翔机动弹道规划理论与方法研究。通过对运动模型换极变换及线性化处理，推导建立了弹道预测模型，实现了机动能力的快速高精度预测。在此基础上，研究提出了以纵向升阻比、侧向升阻比和归一化能量为坐标标架的三维飞行走廊，并提出了三维飞行剖面优化设计及跟踪方法。（3）考虑任务要求的滑翔机动弹道规划方法研究。提出了基于动力学逆的典型机动弹道规划方法；针对航路点、禁飞区、突防等机动任务要求进行了分析，并基于三维飞行剖面方法提出了针对复杂机动任务要求的弹道自适应规划策略和算法。（4）考虑参数扰动的滑翔弹道规划方法研究。对飞行环境及飞行器本体不确定因素进行了分析，建构了考虑参数扰动情况下的三维飞行走廊，提出了对应的弹道规划方法，并重点对参数扰动影响下的飞行器可达域进行了分析。.项目研究工作为复杂约束、机动任务要求以及参数扰动条件下大升阻比高超声速飞行器滑翔弹道规划及制导提供了一种新思路，具有较好的应用前景。研究成果可扩展应用至导弹再入机动、飞船再入、月球登陆、火星探测等弹道规划及制导问题。