拖曳式重復(fù)使用運載器飛行動力學(xué).pdf

1、運載器的重復(fù)使用是未來航天運輸發(fā)展的必然趨勢，而重復(fù)使用運載器的發(fā)射方式多種多樣，拖曳式空中發(fā)射就是其中的一種。 為了實現(xiàn)我國天地往返航天運輸系統(tǒng)“快速、機動、廉價、可靠”的發(fā)展目標(biāo)，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)對各種天地往返運輸系統(tǒng)的發(fā)射方式進行了探索研究。在國家863計劃的支持下，我們對拖曳式兩級重復(fù)使用跨大氣層飛行器概念及關(guān)鍵技術(shù)進行了專題研究，本論文的研究內(nèi)容就是該專題的一部分。由于缺乏相應(yīng)的參考資料，該項研究的

2、困難極大。在國內(nèi)，尚無他人開展此項工作；在國外，除了提出拖曳式空中發(fā)射RLV這個概念外，再也沒有其他有價值的資料可以參考。所以，該項目和該論文的任何一項研究成果都是具有一定的創(chuàng)新性和探索性。 論文回顧和分析了國外，包括日本、歐洲、俄羅斯、印度，特別是美國的重復(fù)使用運載器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，總結(jié)了世界未來重復(fù)使用運載器的發(fā)展趨勢，分析了重復(fù)使用運載器空中發(fā)射方式的性能優(yōu)勢。簡要闡述了如下3種空中發(fā)射方式：背負式發(fā)射、空中加油式發(fā)射和

3、拖曳式發(fā)射，并對拖曳式空中發(fā)射的概念和優(yōu)點進行了較為詳細的介紹。根據(jù)拖曳式空中發(fā)射系統(tǒng)的特點，進行了系統(tǒng)的概念設(shè)計。通過對拖曳系統(tǒng)中拖纜細致而深入的研究，建立了多種拖纜的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)拖曳系統(tǒng)的耦合特性和約束條件，建立了拖曳飛行動力學(xué)和運動學(xué)方程，提出了一種基于仿真的拖曳系統(tǒng)飛行性能計算方法。最后，在分析拖曳系統(tǒng)中飛行器的靜穩(wěn)定性之后，采用拖纜的“直線線性彈簧”模型，建立了拖曳系統(tǒng)的小擾動運動方程，并對系統(tǒng)中飛行器的動態(tài)特性和品質(zhì)進行了

4、初步計算、仿真和分析。論文所進行的創(chuàng)新性研究主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1)針對拖曳式空中發(fā)射重復(fù)使用運載器的技術(shù)指標(biāo)要求及拖曳系統(tǒng)的特點，進行了拖曳式空中發(fā)射系統(tǒng)的概念設(shè)計，尤其是運載器的概念設(shè)計。 2)針對拖曳系統(tǒng)的耦合特性和約束條件，對拖曳系統(tǒng)中的柔性體——拖纜進行了細致的研究，建立了拖纜的多種數(shù)學(xué)模型，包括：直線線性彈簧、剛化柔性懸索、彈簧柔性體、等距約束、剛化柔性體、完全柔性體等。其中“直線線性彈簧”模型和“剛化

5、柔性懸索”模型在拖曳系統(tǒng)的仿真計算中得到了成功應(yīng)用。 3)從拖曳飛機、運載器運動方程和拖纜數(shù)學(xué)模型出發(fā)，建立了拖曳系統(tǒng)中三體相互耦合和約束的動力學(xué)和運動學(xué)方程。 4)根據(jù)建立的拖曳系統(tǒng)動力學(xué)和相應(yīng)的運動學(xué)方程，對拖曳系統(tǒng)中運載器在縱向平面內(nèi)和水平面內(nèi)的航跡控制進行了研究，達到使運載器跟隨拖曳飛機的目的。 5)基于仿真的方法，對拖曳系統(tǒng)的起飛性能和基本飛行性能進行了研究，以驗證拖曳系統(tǒng)的飛行性能能否滿足運載器發(fā)射的

6、要求。所研究的拖曳系統(tǒng)起飛性能和基本飛行性能有：起飛滑跑距離、平飛最大速度、平飛最小速度、升限。 6)采用拖纜的“直線線性彈簧”模型，建立了拖曳系統(tǒng)的小擾動運動方程，并對系統(tǒng)中飛行器的縱向動態(tài)特性進行了計算和仿真分析。結(jié)果表明，與獨立的飛行器相比，拖曳系統(tǒng)中的飛行器的動穩(wěn)定性有所下降。要想拖曳系統(tǒng)中的飛行器具有良好的動態(tài)特性，則必需針對拖曳系統(tǒng)的特點，對它們的飛行控制系統(tǒng)進行必要的研究，使得它們的飛行控制系統(tǒng)不僅適合飛行器獨立飛