簡介
飛行器不依靠動力,利用空氣浮力在空中滑行,稱為滑翔。滑翔斜率指的是使再入軌跡平滑切換到擬平衡滑翔狀態,避免產生跳躍軌跡,需要引入初始下降段,再入軌道的斜率。滑翔斜率對飛行器的安全滑翔具有重要意義。
背景
飛行器上升段最優飛行軌跡設計是飛行器總體設計中的主要技術之一。由於飛行器在上升段的運動數學模型存在較強的非線性與耦合性,在求解上升段的最優飛行軌跡的問題上具有一定的難度 。
大氣層內上升段是助推-滑翔飛彈的初始階段,其任務是運送有效載荷(即彈頭)到達指定的交班點。目前,大氣層內上升段制導通常通過姿態控制來實現,即通過對姿態的跟蹤,間接跟蹤參考軌跡,飛行過程不進行姿態調整。這種開環制導方式具有低成本和穩定性好等優點,但是無法修正飛行過程中氣動力或者推力等擾動造成的誤差,可能會導致飛行軌跡存在較大偏差。因此,以美國為主的航天大國紛紛致力於閉環制導技術的研究,閉環制導能夠線上實時地修正制導指令,極大地提高了制導精度,從而保證助推-滑翔飛彈上升段的交班條件在允許的偏差範圍內,這對整個任務而言是非常有意義的。
計算方法
動壓、法向過載、駐點熱流等約束構成了高度的下邊界,這些約束由飛行器的總體參數決定,可理解為“硬約束”,必須嚴格執行。擬平衡滑翔約束構成了再入走廊的下邊界,這個約束能夠有利於減少彈道跳躍,是一個“軟約束”,在飛行過程中是不必嚴格執行的。
通常情況下,飛行器的再入初始條件不滿足擬平衡滑翔條件。為了使再入軌跡平滑切換到擬平衡滑翔狀態,避免產生跳躍軌跡,需要引入初始下降段。平滑切換的評判準則是在高度-速度剖面內,尋找一個滿足QEGC的轉移點,使再入彈道的斜率dh /dv與QEGC的斜率(dh/dv)"保持一致,並且平滑切換的成功表示了初始下降段的結束。其平滑切換的評判準則為:
—"<ε
ε為事先確定的小量。
=
其中r為飛行路徑角,為飛行速度矢量與當地水平面的夾角,v是飛行器相對地球的速度,D為氣動阻力,g為中心引力場下的地球引力加速度,與高度相關,m表示飛行器的質量,"為當前點(h,v)對應的QEGC的斜率,根據QEGC對高度h求速度v的導數,可以得到當前點的斜率。
在採用常值傾側角σ積分運動方程過程中,當飛行高度小於一定高度而切換條件仍不滿足時,需要重新疊代計算σ。然而σ越大,軌跡下降越快,同時熱流密度越容易超出約束範圍。當超出約束的σ仍不能滿足切換條件時,由再入飛行器的氣動特性可知,增大攻角能夠提升氣動力的減速效果,從而降低再入過程中的熱流密度約束。所以,初始下降段一般選擇常值大攻角飛行。