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來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:建筑設(shè)計時間:瀏覽:次
摘要:在給定貨運(yùn)飛船/制品艙運(yùn)行軌道高度等參數(shù)的條件下,本文建立了一種滿足各項約束條件的返回軌道設(shè)計方法。仿真算例證明了本文給出的方法是可行的。文中建立的返回軌道設(shè)計方法,也可用于與貨運(yùn)飛船/制品艙具有相似特性的飛行器。文章發(fā)表:《航空計算技術(shù)》是由中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。自創(chuàng)刊以來,以新觀點(diǎn)、新方法、新材料為主題,堅持"期期精彩、篇篇可讀"的理念。航空計算技術(shù)內(nèi)容詳實、觀點(diǎn)新穎、文章可讀性強(qiáng)、信息量大,眾多的欄目設(shè)置,航空計算技術(shù)公認(rèn)譽(yù)為具有業(yè)內(nèi)影響力的雜志之一。航空計算技術(shù)并獲中國優(yōu)秀期刊獎,現(xiàn)中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊。
1問題描述
1.1返回軌道設(shè)計任務(wù)
可以看出,貨運(yùn)飛船/制品艙整個返回軌道設(shè)計是一個復(fù)雜的過程,需要綜合考慮各種因素和約束條件,主要設(shè)計目標(biāo)是:1)根據(jù)初始條件,設(shè)計一條滿足各種約束條件的整體返回軌道;2)貨運(yùn)飛船再入大氣后不需要回收,僅需要到達(dá)某一指定海域即可;制品艙內(nèi)有重要物品,需要精確落到著陸場。貨運(yùn)飛船/制品艙能夠通過一定的方法按照基準(zhǔn)軌道飛行,即使個別參數(shù)出現(xiàn)偏差,仍然可以滿足任務(wù)要求。
1.2設(shè)計參數(shù)與約束條件
1.2.1設(shè)計參數(shù)設(shè)計參數(shù)主要包括:制動初始位置,分離高度,分離速度,制動監(jiān)測圈序列,推力大小和推力方向,貨運(yùn)飛船分離后開機(jī)參數(shù)與關(guān)機(jī)參數(shù),制品艙自旋角速度。1.2.2約束條件1)監(jiān)測約束貨運(yùn)飛船點(diǎn)火后的發(fā)動機(jī)狀態(tài)需要受到地面監(jiān)測。判斷飛行器是否處于某監(jiān)測站監(jiān)測圈內(nèi)的方法如圖2所示,若地面監(jiān)測站在C點(diǎn),貨運(yùn)飛船位于T點(diǎn),僅當(dāng)T點(diǎn)位于陰影區(qū)內(nèi)時,才可進(jìn)行制動。當(dāng)式(2)滿足時,貨運(yùn)飛船可進(jìn)行制動,其中h2為監(jiān)測站雷達(dá)的探測距離,ε為監(jiān)測站雷達(dá)的高低角,β~為貨運(yùn)飛船與監(jiān)測站的地心角,LTO為貨運(yùn)飛船的地心距。2)落點(diǎn)約束貨運(yùn)飛船殘骸落入某一指定海域。其中,φSZ_h表示貨運(yùn)飛船落點(diǎn)緯度,λSZ_h表示貨運(yùn)飛船落點(diǎn)經(jīng)度。其中,φSZ_f表示制品艙落點(diǎn)緯度,λSZ_f表示制品艙落點(diǎn)經(jīng)度,Δx表示航向偏差,Δz為橫向偏差。3)過載約束要求制品艙再入過程中軸向過載小于nxmax。4)熱流約束要求制品艙再入過程中熱流密度小于Qmax。
2返回軌道方案設(shè)計
由于貨運(yùn)飛船/制品艙返回軌道涉及到飛行器的多種狀態(tài),并且需要考慮復(fù)雜的過程約束和嚴(yán)格的終點(diǎn)約束。本文采用迭代搜索算法,建立圖3所示的貨運(yùn)飛船/制品艙返回軌道設(shè)計流程。
2.1動力學(xué)模型
由于制品艙再入大氣后,其姿態(tài)與所受氣動力息息相關(guān),因此將其當(dāng)作剛體進(jìn)行軌道計算。而貨運(yùn)飛船只需落入指定的海域,可將其當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行軌道計算。貨運(yùn)飛船/制品艙的基本動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型可參照文獻(xiàn)[6]。貨運(yùn)飛船與制品艙通過彈射裝置進(jìn)行分離,如圖4所示。分離過程的動力學(xué)模型如式(5)。其中,F(xiàn)1表示彈射力,mf表示制品艙質(zhì)量,V表示分離前兩者共有速度,ΔV表示制品艙分離前后速度之差,mh表示貨運(yùn)飛船質(zhì)量,Vh表示分離后貨運(yùn)飛船速度。
2.2返回軌道設(shè)計
將貨運(yùn)飛船/制品艙返回過程分為4段:空間返回段、分離段、貨運(yùn)飛船自由段和制品艙自由段。2.2.1空間返回段空間返回段設(shè)計包括以下三方面:1)為了有效利用推力,貨運(yùn)飛船在起始制動前進(jìn)行調(diào)姿,使得推力方向與速度方向相反,即:α=180°(6)其中,α表示攻角。2)考慮到貨運(yùn)飛船本身的調(diào)姿能力有限,制動開始后,貨運(yùn)飛船保持固定姿態(tài)不變,直至貨運(yùn)飛船與制品艙分離,即:φ=φ*ψ=ψ{*(7)其中,φ表示實時俯仰角,φ*表示固定俯仰角,ψ表示實時偏航角,ψ*表示固定偏航角。3)由于貨運(yùn)飛船的制動過程只能在監(jiān)測站監(jiān)測范圍內(nèi)進(jìn)行,因此采用分段制動方式,考慮監(jiān)測站(我國共有19個監(jiān)測站)的具體位置,以及發(fā)動機(jī)的開關(guān)機(jī)次數(shù)盡量少,貨運(yùn)飛船制動監(jiān)測圈序列設(shè)計為:當(dāng)貨運(yùn)飛船處于某監(jiān)測站的監(jiān)測范圍內(nèi)時,發(fā)動機(jī)開機(jī)進(jìn)行制動;當(dāng)貨運(yùn)飛船離開監(jiān)測站的監(jiān)測范圍,發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī),貨運(yùn)飛船進(jìn)行自由飛行。其中,P表示貨運(yùn)飛船實時推力,P*表示貨運(yùn)飛船固有推力。2.2.2分離段為了確保安全,分離段同樣需要在監(jiān)測范圍內(nèi)完成;在分離段貨運(yùn)飛船發(fā)動機(jī)需保持關(guān)機(jī)狀態(tài);本文設(shè)計的分離速度為2m/s。2.2.3貨運(yùn)飛船自由段分離后貨運(yùn)飛船需要加速飛行墜入指定海域,因此,貨運(yùn)飛船與制品艙需具有一定的安全距離才可開啟發(fā)動機(jī);另外,貨運(yùn)飛船再入大氣層后,會受到嚴(yán)重的氣動加熱從而發(fā)生燒蝕,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)狀態(tài)不可測,因此,加速飛行段僅在大氣層外進(jìn)行。其中,S表示貨運(yùn)飛船與制品艙之間的距離,S*表示安全距離,H表示貨運(yùn)飛船所處高度。2.2.4制品艙自由段制品艙自由段全程無動力,為保證返回過程中氣動加熱均勻,需設(shè)計制品艙的自旋角速度。完成上述4段設(shè)計后,即可得到貨運(yùn)飛船與制品艙的理論返回軌道。若理論返回軌道滿足各項約束,則進(jìn)行偏差返回軌道計算。當(dāng)理論返回軌道與偏差返回軌道均滿足各項約束要求時,即完成貨運(yùn)飛船與制品艙的返回軌道設(shè)計。
2.3迭代算法
為簡化問題,制動監(jiān)測圈序列、推力方向和分離速度已在2.2節(jié)中設(shè)計完成,不再參與迭代計算。下面根據(jù)不同設(shè)計參數(shù)對不同約束參數(shù)的影響不同,將迭代過程分為兩部分:1)全局迭代。迭代參數(shù)為:制動初始位置θ,分離高度Hsp,推力大小P和自旋角速度ω。終點(diǎn)參數(shù)為:制品艙落點(diǎn)經(jīng)度λSZ_f,制品艙落點(diǎn)緯度φSZ_f,再入最大過載nx和再入最大熱流密度Q。2)局部迭代。迭代參數(shù)為:貨運(yùn)飛船開機(jī)參數(shù)Hon和關(guān)機(jī)參數(shù)Hoff。終點(diǎn)參數(shù)為:貨運(yùn)飛船落點(diǎn)經(jīng)度λSZ_h和貨運(yùn)飛船落點(diǎn)緯度φSZ_h。本文所采用的迭代格式如式11,具體迭代算法可參照文獻(xiàn)[7]。
3仿真算例
貨運(yùn)飛船與制品艙的初始參數(shù)如表1所示。
3.1貨運(yùn)飛船返回軌道結(jié)果
貨運(yùn)飛船理論返回軌道仿真結(jié)果如圖5所示。貨運(yùn)飛船落點(diǎn)參數(shù)為經(jīng)度-126°,緯度-23°,滿足落入南太平洋的要求。
3.2制品艙軌道結(jié)果
制品艙落點(diǎn)緯度為42.19°,經(jīng)度為111.812°,最大軸向過載為8.77g,最大熱流密度為5.78MW/m2。再入大氣過程中,關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)如表3所示。
3.3各項偏差
考慮到分離后制品艙姿態(tài)不確定,需要計算各姿態(tài)下的制品艙落點(diǎn)偏差。表4給出了9種典型姿態(tài)下,制品艙的落點(diǎn)位置與偏差大小。此外,本文還考慮了另外4種典型偏差對制品艙落點(diǎn)的影響,具體結(jié)果如表5所示。通過分析算例結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:1)采用本文所設(shè)計的返回方案,貨運(yùn)飛船和制品艙可在滿足所有約束的條件下達(dá)到指定落區(qū);2)通過合理選擇設(shè)計參數(shù),使得再入制品艙在任意姿態(tài)下都能落入約束區(qū)域內(nèi),因此在分離段可以不約束制品艙的分離姿態(tài);3)貨運(yùn)飛船的推力偏差對落點(diǎn)結(jié)果影響較大;其它偏差對返回軌道的影響較小。