第一章大气再入动力学与制导概论.doc

大气再入动力学与制导 西北工业大学 航天学院 闫晓东 第一章 绪论 1. 大气再入的内涵和意义 2. 大气再入的分类 3. 大气再入动力学与制导研究的内容 1. 航天器再入的内涵和意义 航天器再入是航天飞行的重要组成部分，涵盖了导弹、飞船、空天 飞机等大部分的航天器。 航天器再入动力学主要是指飞行力学的问题。 再入（Reentry，Entry）：从外部空间进入稠密大气层的飞行 过程；地球，火星？再入与进入？ EDL：Entry Descend and Landing,是统称。 国内宇航学会有EDL专业委员会学术机构。 2. 大气再入的分类 按照飞行器的类别，分为两种再入航天器： 弹道导弹弹头再入：分为机动弹头和惯性弹头，其任务是为了 命中目标，进行攻防对抗； 航天器再入：抵达预定的着陆点。 (1) 弹头再入 按照是否机动区别： 惯性弹头再入：依据惯性飞行，不进行机 动，主要决定参数是主动段分离点的速度、 位置和弹道倾角； 机动弹头再入：在大气层外中段进行机 动，从而提高突防能力。此外带有导引头， 通过末制导段机动提高命中精度。 特点： 弹头再入角很大，高速飞行，过载、动压、气动热十分严重， 高温、高压、振动、噪声、冲击等飞行环境十分苛刻； 反导技术的发展为弹头再入带来了新的挑战。隐身、诱饵、机 动是弹头必须考虑的问题，特别是弹头机动较为复杂。 机动弹头还要考虑多弹头分导、自旋稳定和滚转控制、速度控 制、高精度导航、末制导等诸多问题。 (2) 航天器再入 航天器再入是指完成预定空间任务后，通过制动进入大气层，然后 在地面上着陆的过程。包括返回式卫星、飞船、空天飞行器等。 飞行再入角要小于弹头再入，但飞行时间更长，也要经历严苛 的气动作用； 可以分为三种再入方式： ? 弹道式再入； ? 弹道-升力式再入（半弹道）； ? 升力式再入； ? 弹道式再入 ? 再入过程中不产生升力，只有阻力，或者产生升力但不对升力 大小和方向进行控制； ?一旦离轨参数确定后，弹道也确定了。 ? 再入弹道比较陡，下降速度快，会产生很大的减速过载，以及 很大的热流，但飞行时间和航程短，总加热量较小。 ?由于再入返回各种误差的存在，弹道落地散布大，常常有数十 公里，甚至上百公里的落地误差。 ? 主要有返回式卫星，以及早期的飞船，如前苏联的“东方”号 和美国的“水星”号飞船。 观看弹道导弹的飞行动画 ? 弹道-升力式再入（半弹道式） ? 质心偏离飞行器轴线一定的距离，再入 大气层后，在配平状态下会产生一定的攻 角，同时产生一定的升力； ?升阻比小于1，一般情况下小于0.5； ?再入过程中，通过控制倾侧角实现对升力方向的控制，从而对弹道 具有一定的调节能力，横程和纵程可进行调节。 ? 因为有升力，所以弹道比弹道式再入平缓，再入热流也较低，落点 精度得到提高，可以在十公里量级。 ? 目前大部分的飞船都采用这种再入方式。 ? 升力式再入 ?升阻比大于1，升力的大小和方向是主要控制变量； ?由于升力较大，弹道更为平缓，可以实现精确的弹道控制。再 入过程过载、动压、热流都可以控制在一个范围内，并通过能量 管理实现水平着陆。 ? 但这种飞行器必然要求带升力面，因此外形复杂，给热防护带 来很大困难。 ? 典型代表美国的 航天飞行，X-37B。 3. 大气再入动力学与制导研究内容 大气再入动力学主要研究再入返回的飞行性能特性和动力学特性， 制导主要研究如何使得航天器能够完成任务抵达预定着陆点。 三个方面 主要内容 ? 再入返回动力学方程及简化； ? 返回弹道设计： ? 弹头及机动弹头弹道设计及制导 ? 制导规律设计： ? 半弹道式再入弹道设计及制导 ? 落点精度分析： ? 升力式再入弹道设计及制导 ? 最优弹道设计及优化设计方法 ? 制导落点精度分析 ? 返回轨道设计 ?由于再入环境十分严苛，如何能让再入过程满足各种约束，安 全、可行地完成再入任务是返回轨道首先要解决的问题。 ?分析再入约束，在多约束条件下提供一种弹道设计方法，能够 完成可行弹道的设计。 ? 弹道设计也是结构设计、热防护系统设计、控制系统设计等的 基础。 ? 由于动力学的非线性特性，如何快速实现多约束下的弹道设计 是一大挑战。 ? 制导规律设计 ?设计好再入弹道后，如何控制飞行器按照预定的弹道飞行，从 而满足多种约束和落点精度要求是制导系统的任务。 ?由于再入过程存在多种偏差，如何在偏差影响下保证落点精度 也是重要的内容。 ? 对于弹头而言，起旋、消旋的控制，机动弹头的机动制导律。 对于有升力的再入，如何控制升力的大小和方向，从而控制飞行 弹道满足约束并能准确达到落地是主要内容。 ? 落点精度分析 ?建立多种干扰或偏差的概率模型。质量、气动、结构、环境、 导航、控制等。 ?基于统计打靶分析方法分析终端状态