中国国防科技网 http://www.8ltech.com ②研究理想速度曲线设汁和速度大小的控制问题。 ③机动弹头三自由度弹道仿真模型建立及精度分析。 ①机动弹头控制系统综合设计及六自由度弹道仿真和精度分 析 5.航天器返回轨道设计和制导方法 航天器包括卫星、飞船和航天飞机,按再入段升阻比的大小 对应于升阻比等于零、小升阻比和大升阻比三种情况。对升阻比 为零的返回轨道主要是制动段的关机方案设汁。对小升阻比的弹 道一升力式再人和大升阻比的升力式再入除存在着制动段关机方 案设计外,主要的问题是再入段的飞行程序设计和制导方法选择。 再入段是返呵过程中最重要也是最复杂的一段,其轨道设计和制 导方法选择是航天器返回过程要重点研究的问题。 着陆点的落点精度是航天器返回过程的重要技术指标之 它与控制系统、制导系统和惯性器件精度有密切关系,牵涉到着 陆场区的选择、搜索队伍的布置。 大升阻比的航天飞机轨道飞行器轨道设计和制导方法有其特 点,先画出再入走廊,后在再入走廊内选择满足射程要求的飞行 剖面,而再人段的制导同飞船的再入制导方法相比,增加了末端 能量管理段的控制 ①航天器返回制动段研究。航天器要返回地面,必须改变其 速度的大小和方向,用推力来减小其速度,有推力大小、方向和 工作时间的选择问题,可以从能量最省和航程最短的角度得到制 动方向。 ②卫星和飞船再入轨道设计。如何选择最合适的再人角e, 设计再入段倾侧角的变化规律以保证在标准情况下落点满足总 体设计要求是再入轨道设计的重要工作。 ③有干扰作用时为保证再入点的误差较小,制动段关机方程 设计是航天器制导系统设计的任务之一。而再入段再入制导方法 21
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 设计、最佳增益系数的确定直接关系到着陆点的精度 ⑨三自由度和六自由度的弹道仿真模型的建立和仿真是精度 分析的基础 ⑨航天飞机轨道飞行器的标准轨道设计及再入制导方法研 究。再入走廊的确定、飞行剖面的选掸、最佳反馈增益系数的确 定及再人制导方法、着陆点的精度分析是轨道飞行器轨道设计和 再入制导方法要解决的主要问题
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com 第二章再入飞行器运动方程及其简化 为了全面地描述再入飞行器从制动开始到进入大气层的运 动,提供准确的运动状态参数,需要建立完整的运动方程。由于 制动有燃料消耗,再入飞行器从制动、再人到落地的全过程是 个变质量质点系,应该用变质量质点系的质心动力学方程和绕质 心转动动力学方程来建立再人飞行器的运动方程。关于这部分内 容,在文献[1]、[2]有详细讨论,本书将直接引用《远程火箭 弹道学》的结果来建立再入飞行器的运动方程。 §2.1再入飞行器矢量形式的动力学方程 由理论力学知,再入飞行器的运动可以通过再入飞行器质心 的平移运动和绕质心的转动运动而合成,相应的有质心动力学方 程和绕质心转动的动力学方程。因为再入飞行器矢量形式的动力 学方程同远程火箭矢量形式的动力学方程是一样的,这里直接把 它写出来 1.质心动力学方程 再入飞行器在惯性坐标系以矢量描述的质心动力学方程如 下 m正2=P+E+F+mg+F (2-1-1) 其中:r为再入飞行器质心在惯性坐标系中的矢径; P为作用在再入飞行器上的推力矢量 R为作用在再入飞行器上的空气动力矢量;
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com mg为作用在再入飞行器上的引力矢量; F为作用在再入飞行器上的控制力矢量 m为再人飞行器的质量 而附加的哥氏力F可表示成 F=-2mor×P (2-1-2) 其中:m为质量秒消耗量,且m=|dm/dtl; x为再入飞行器对惯性坐标系的角速度矢量; P为再人飞行器质心O1到喷口截面中心的矢量。 因其量级较小,在再人飞行器飞行中可略去其影响,本书不 考虑附加哥氏力的作用。 2.绕质心转动的动力学方程 再人飞行器在惯性坐标系(或平移坐标系)以矢量形式描述 的绕质心转动的动力学方程为: d d+ax×(·)=Mx+M+M+Mm+M4 (2-1-3) (2-2-4) 其中:I称为惯量张量。I,、I3、Ⅰ是转动惯量,I、lx、Ix是其 惯量积 a为再入飞行器相对于平移坐标系的转动角速度矢量; Mx为作用在再入飞行器上的空气动力稳定力矩矢量; Md为再人飞行器相对于大气有转动引起的阻尼力矩矢量; M为作用在再人飞行器上的控制力矩矢量; Mm为作用在再人飞行器上的附加的相对力矩矢量 M为作用在再入飞行器上的哥氏力矩矢量。 而M和M可用下式计算 24
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中国国防科技网 http://www.8ltech.com mp, Xu (2-15) dI M=-对·a7-mP×(7×p) (2-1-6) 因该两项力矩的量级较小,在再人飞行器飞行中可以略去其 影响。本书也不考虑附加的相对力矩和附加的哥氏力矩的作用 实际在再入飞行器动力学中采用的质心动力学和绕质心转动 的动力学方程为 m(d'r/dz2)=P+R+F+mg (2-1-7) (dar/d)+ω×(I·ar)=M+M+M。(2-1-8) §2.2需用的坐标系和坐标系间的转换关系 前面得到了质心运动和绕质心运动的动力学矢量方程。为了 建立再人飞行器空间运动的标量方程,研究其运动特性,需要定 义一些坐标系。坐标系的选取及定义可以根据习惯和研究问题的 方便而定,并无统一格式。但由于选取的坐标系不同,所建立的 运动方程的形式和复杂程度有所不同.这就会直接影响求解运动 方程的难易程度和运动参数的直观程度,因此选取合适的坐标系 是十分重要的。 为了得到标量方程,需要把外力和外力矩投影到所要求的坐 标系上去,而外力和外力矩是根据其特性定义在不同的坐标系中 为此应当进行坐标系之间的转换,给出需用的各坐标系之间的转 换矩阵。 §2.2.1需用的坐标系 (1)地心惯性坐标系O-X1Y1Z1,简记为l 该坐标系原点在地心OE处。OeX轴在赤道面内指向平春分 点或某一固定点。OEZ;轴垂直于赤道平面,与地球自转轴重合,指
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