高超声速飞行器周期巡航轨迹设计与优化

徐文君, 陆宇平, 刘燕斌, 陈柏屹

(南京航空航天大学 航天学院, 江苏 南京 210016)



高超声速飞行器周期巡航轨迹设计与优化

徐文君, 陆宇平, 刘燕斌, 陈柏屹

(南京航空航天大学 航天学院, 江苏 南京 210016)

针对高超声速飞行器,给出了参数建模方法并分析了其气动特性,建立了乘波体外形高超声速飞行器的纵向平面运动学模型;提出了高超声速飞行器巡航段周期轨迹的方案及相应的轨迹优化方法。采用高斯伪谱法解决周期性轨道优化问题,将原有的连续周期非线性优化问题转化为多段离散优化问题,并采用SQP算法求得最优解。仿真结果表明,在巡航航程相同的情况下,周期轨迹比稳态轨迹更省燃料。

高超声速飞行器; 参数建模; 周期巡航; 高斯伪谱法

0　引言

高超声速飞行器由于在军事上具有部署时间短、打击精度高、突防能力强等优点,因此成为未来航空宇航科学发展的必然趋势。为了适应各种作战需求,人们对高超声速飞行器轨迹优化的要求越来越高。对于超燃冲压高超声速巡航飞行器,目前提出的方案均为由助推器将其加速到一定高度和速度,满足超燃冲压发动机工作条件后,转为超燃冲压发动机工作,进行高超声速巡航飞行。在巡航飞行段,一般采用固定高度、速度/航迹角的最优稳态巡航方案。然而早在1970年,研究人员就发现周期巡航比稳态巡航更省燃料。周期巡航轨迹方案由于存在势能和动能的转换,有利于获得最佳推进比,因此在固定航程的条件下可以更少地消耗燃料;在短航程内实现周期巡航轨迹的另一个优点是，飞行器可以灵活机动地执行各项临时任务,飞行轨迹难以预测,有利于实现精确打击和轨道变化跟踪。……