飞行器再入动力学建模与仿真

摘要

为研究飞行器再入大气层返回地球时的质心运动规律，需要对飞行器进行动力学建模并仿真分析。再入式飞行器主要包括弹道导弹再入机动弹头、返回式卫星、载人飞船和航天飞机。本文主要研究再入航天器再入大气层时的运动规律。

本课题的主要工作是：推导飞行器再入运动方程，得到关于飞行状态变量的微分方程组；研究计算机仿真方法，仿真求解运动方程，得到再入飞行轨迹。研究的重点是建立飞行器再入过程的三自由度运动模型。将再入飞行器看做质点，在无推力的情况下，推导其只有重力和气动力作用时的飞行状态数学表达式。其中计算气动力作用时，需要对飞行器气动参数进行插值，确定飞行器气动特性，并建立合适的大气密度模型，代入飞行器再入运动方程中进行仿真。

完成了纵向参考轨迹的设计。通过仿真得出所设计的算法能够较快的生成纵向参考轨迹，可以满足再入高超声速飞行器再入时对轨迹生成时间的要求。并最终绘制出三维再入飞行轨迹仿真图。

关键字：航天器，再入，轨迹，建模，仿真 

ABSTRACT

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KEYWORDS: Spacecraft, Re-entry, Trajectory, Modeling, Simulation

   

目录

第1章 绪论 5

1.1 课题的研究背景、目的和意义 5

1.1.1 高超声速飞行器的发展概况 5

1.2 滑翔段制导律设计方法 7

1.2.1 标准轨道制导方法 7

第2章 飞行器再入坐标及大气环境 9

2.1 坐标系定义及坐标转换 9

2.2 大气飞行环境 12

第3章 再入运动方程及建模 16

3.1 再入运动方程 16

3.2 纵程、横程、航程 25

3.3 飞行器的再入问题 26

3.3.1 再入约束条件 27

3.4 本章小结 29

第4章 再入纵向轨迹参数设计与仿真 30

4.1 引言 30

4.2 纵向运动方程 30

4.3 控制变量的设置 32

4.3.1 攻角剖面的设置 32

4.3.2 倾斜角的设置 33

4.4 初始下降段 33

4.5 近似平衡滑翔段 35

4.6 纵向轨迹生成仿真 37

4.6.1 气动模型 37

4.6.2 再入条件 38

4.7 仿真结果及分析 39

4.8 本章小结 43

第5章 总结与展望 44

参考文献 45

致谢 47

毕业设计小结 48