高超声速飞行器建模与精细姿态控制研究

The contents of this project is divided into two main parts, the first is the analysis and research on dynamics of air-breathing hypersonic vehicle during separation. The model of separation will be established and the fast attitude control is expected to be studied. Preset rudder partial control is the method that aircraft control surface preset prior to separation into a certain direction in order to reduce the initial attitude angles disturbance during separation period. The nonlinear controller to achieve the separation stage of rapid attitude control will be designed.The second, for the long time flight of hypersonic vehicles,the higher requirements for the sophisticated control of attitude and the attitude angular velocity, the related researches are as follows: hypersonic flight environment dynamic wind field characteristics, compound rudder control, nonlinear of rudder system, analysis of attitude measurement signal error. In conclusion the aim of this project is the control of hypersonic vehicle in the scramjet work condition, to control the attitude angle and angular velocity meet the system requirements.

本项目的研究内容主要分为两部分，首先分析和研究吸气式高超声速飞行器在与助推火箭的分离段复杂流场中的多体分离动力学特性问题，以所建立的分离动力学模型为基础，结合高超声速飞行器分离的各种干扰特性，分析高动压分离流场对飞行器动力学特性的影响。采用预置舵偏的控制方法，通过将高超飞行器的控制舵面在分离前预置到一定的方向上，以降低分离时刻的初始姿态角扰动；设计非线性控制器实现分离阶段的快速姿态控制。其次针对高超声速飞行器长时间飞行（一小时以上）对姿态及其姿态角速度精度控制的更高要求，提出了姿态角及其变化速度综合控制的研究内容。分为高超声速飞行环境动态风场特性研究、复合舵面控制方式研究、舵机非线性研究、姿态测量信号误差分析等内容，目的是使高超声速飞行器在超燃冲压发动机工作时，机体姿态角/角速度控制的精度和稳定性均满足要求。

本课题在工程应用的牵引下，在基础理论和方法上的贡献如下：.1、逐步明晰了吸气式高超声速飞行器对飞行控制的特殊要求，提出了并逐步完善了吸气式高超声速飞行控制的基础科学问题：①高超声速飞行器精细姿态控制。高超声速飞行器对飞行姿态的高精度要求是其区别于其它飞行器的一个显著特征，巡航飞行段控制的首要目的就是保证超燃冲压发动机工作需要的最优姿态条件，大约是攻角/侧滑角为±1°、姿态角速度≦1°/s。我们称之为精细姿态控制，它是一个火箭发动机动力专业、空气动力学专业和飞行控制专业深度融合的共性基础问题。②高超声速、高动压分离。无论是助推或整流罩分离，高超声速飞行器的分离条件都将是速度接近或超过5马赫、动压超过100kPa，临近空间大气扰动和分离扰动。这是一个十分苛刻、机理复杂，但必须面对，因而充满挑战的课题，它是一个空气动力专业和飞行控制专业深度融合的共性基础问题。.2、对近空间大气环境进行了深入的研究，建立了一个可供飞行控制系统性能验证的临近空间大气环境数学模型。.3、建立了一套包括超燃冲压发动机、舵机以及升力体构型的高超飞行器及其气动、结构参数的完整六自由度数学模型，为吸气式高超声速飞行器飞行控制方法的研究提供了一个公共研究对象。.4、以上述模型和我国高超声速飞行器预研的飞行弹道、时序为牵引，采用线性、非线性等手段，多方面研究了高超声速飞行器分离段的高动压分离、姿态扰动快速调节等问题、提出了满足弹道时序、精度要求的控制方法；研究了高超声速飞行器巡航段飞行的环境及其特点，给出了其巡航段飞行控制设计可以在工作点线性化，按照线性化方法研究的重要结论；深入研究了气动弹性、发动机工作振动等条件下的高超声速飞行器精细姿态控制问题，提出了满足姿态精细控制要求的方法。.5、针对高超声速飞行器长时间飞行（一小时以上）对姿态及其速度精度控制的更高要求，提出了姿态及其变化速度综合控制、复合舵面控制等新的研究方向，研究工作尚在进行中。.6、本项目的基础研究工作有力地支撑了我国高超声速飞行器的工程研究及飞行试验。.7、陆续在国内外相关刊物上发表一批论文。《吸气式高超声速飞行控制技术》专著的编写工作已经完成，计划2014年初出版。.8、研究成果已经通过了国防科工局组织的成果鉴定，给出的鉴定意见为技术水平国内领先、国际先进，其中大动压级间控制技术处于国际领先水平。目前已正式申报2014年度军内科技一等奖