RLV末端能量管理段混合制导方案

司马骏 黄一敏

南京航空航天大学，南京 210000



RLV末端能量管理段混合制导方案

司马骏 黄一敏

南京航空航天大学，南京 210000

提出了一种重复使用运载器(RLV)末端能量管理段的混合制导方案，以解决传统制导方案实现过于复杂的问题。在超音速飞行阶段，RLV飞行包线大，混合制导方案采用动压控制策略代替传统制导方案的高度控制策略，使得制导对轨迹剖面要求更少，轨迹参数计算量更小，控制结构也更加简单，从而大大简化了能量管理段的制导；在亚音速飞行阶段，RLV飞行包线小，混合制导方案采用与传统制导方案一致的高度/速度控制策略，其控制效果好，同时满足亚音速飞行阶段对飞行器高度、空速精确控制的要求。仿真结果表明，混合制导方案是可行的。

重复使用运载器；能量管理；混合制导；动压控制策略

重复使用运载器[1](Reusable Launch Vehicle, 简称RLV)末端能量管理段(Terminal Area Energy Management，简称TAEM)的任务是管理其初期再入段结束时的能量(马赫数约为2.5，高度约为25km)，引导飞行器进入自动着陆段窗口(马赫数约为0.5，高度约为3km)。

RLV能量管理段传统的制导方案为高度/速度控制方案[2-3]，文献[2-3]指出高度控制通过法向过载控制实现，而速度控制通过减速板控制(Speedbrake，简称SB)实现。在TAEM超音速飞行阶段，由于减速板强度限制，减速板不能用于控制，制导仅通过法向过载控制来跟踪高度、约束动压与总能量，其实现复杂，对轨迹剖面参数要求多，控制参数计算量大。进入亚音速飞行阶段，传统方案采用分别控制RLV高度与速度的策略，实现对总能量的控制，并保证飞行器高度、速度、轨迹倾斜角等满足着陆段窗口要求。

为了简化TAEM制导方案，同时保证制导性能要求，本文提出了一种混合制导方案，在超音速飞行阶段采用动压控制策略[4]代替传统的高度控制策略[3]，通过法向过载控制来控制动压，并通过调整动压约束总能量，动压控制结构简单，对轨迹剖面参数要求更少，控制参数计算量更小。进入亚音速飞行阶段，混合制导保持传统方案的高度/速度控制策略[3]，以满足亚音速飞行范围对飞行器高度、速度等状态的精确控制要求。

1 TAEM制导概述

TAEM飞行地轨迹如图1所示。

图1 TAEM飞行地轨迹

RLV进入末端能量管理段后，首先捕获安置在跑道一侧的圆柱切向飞行，直至接近圆柱并跟踪圆弧航迹飞行进入跑道，最终跟踪跑道中心线下滑，进入着陆段。根据飞行地轨迹可将TAEM分为4个阶段：S转弯段、捕获段、航向校准段和进场前飞行段。

TAEM制导可分为横侧向制导与纵向制导。横侧向制导目的是通过控制滚转角跟踪预定的地轨迹飞行，而纵向制导则通过控制能量跟踪下滑轨迹剖面。本文重点在于分析TAEM纵向制导方案，即对能量的控制策略。

RLV能量管理段无动力下滑时能量由势能和动能两部分组成，其总能量E为：

其中，V为RLV惯性速度，H为高度，m为飞行器质量，g为重力加速度。假设RLV的重量为W=mg，定义能量重量比E/W为：

TAEM制导中能量控制的目标在于控制下滑飞行过程中的能量消耗，以跟踪预定的轨迹剖面飞行，并最终捕获下滑轨迹剖面，使得飞行器末端高度、速度等状态满足着陆段窗口要求[1]。能量控制主要是通过法向过载(与迎角直接相关)控制和减速板控制实现，但在超音速飞行阶段，由于减速板强度限制，不能使用减速板，制导仅使用法向过载作为控制量，其制导控制效率较低，无法精确控制能量、高度与速度。进入亚音速飞行阶段，制导可同时使用法向过载与减速板作为控制量，大大增加了制导控制效率，从而可精确控制飞行器高度、速度等状态。

文献[2-3]指出传统制导方案应用于航天飞机的能量管理段，具有良好的控制效果。但在超音速飞行阶段，传统制导方案的高度控制策略过于复杂，主要体现为以下2点：

1) 传统方案要求制导提供动压剖面、高度剖面、能量剖面以及能量约束上下边界，其需要的轨迹剖面多，轨迹参数计算量大；

2) 传统方案通过法向过载控制来控制高度，跟踪高度剖面，同时法向过载控制还用于约束能量与动压在安全飞行范围内。制导需分别设计高度控制器、能量约束控制器[3]与动压约束控制器[3]，其制导控制结构复杂，控制参数计算多。

而TAEM亚音速飞行马赫数变化范围约为0.8至0.5，RLV飞行包线小，涉及轨迹剖面参数少，传统制导方案采用高度/速度控制策略，通过分别控制飞行器高度(能量势能部分)与空速(能量动能部分)，间接实现对总能量的控制，同时也适应着陆段窗口对飞行器高度、空速的严格约束。此外，通过法向过载控制来控制高度，以及减速板控制来控制飞行器空速(或动压)，都被证明有良好的控制效果。

2 混合制导方案

混合制导方案在超音速飞行阶段采用动压控制策略，通过法向过载控制来控制动压，跟踪动压剖面，并通过调整动压控制指令来约束总能量。进入亚音速飞行阶段，混合制导方案保持传统的高度/速度控制策略，通过法向过载控制RLV飞行高度，跟踪高度剖面，而减速板用于控制RLV动压(等效于控制空速)跟踪动压剖面。

2.1 动压控制策略

当没有风影响时，飞行器空速等于惯性速度，此时根据空速与动压的关系，可推导有：

由上式可知，能量可分为动压与高度两部分。在超音速飞行阶段，制导仅使用法向过载作为控制量，目标在于初步调整能量，约束能量、动压、高度与空速在合理范围内。动压控制策略即控制能量的动压部分，动压与RLV空速、高度同时相关，控制动压可以实现初步调整能量的制导要求。

超音速飞行范围内，RLV高度从约25km下降至约12km，而马赫数从约2.5减至0.8，其高度与速度变化范围大。而动压同时与RLV高度、速度相关，随着高度的降低，飞行速度减小，而大气密度增大，使得动压的变化变慢，且动压变化范围小。图2给出了典型的动压剖面。

图2 典型动压剖面

图2所示动压剖面中待飞距离定义为TAEM下滑飞行剩余的地轨迹长度，动压随待飞距离变化呈近似线性变化。所以，在超音速飞行阶段，控制动压跟踪动压剖面实现简单。

根据质点动力学，动压的变化率满足下式：

而在平衡状态时可证明动压满足：

由上式可知，动压变化率与飞行器空速、大气密度相关，所以，动压是一个缓慢的变化量，动压控制回路可以增加飞行器长周期阻尼，并且可以使拐弯时航迹控制效果更好。

其中，V为RLV惯性速度，γ为航迹倾斜角，dR为单位时间内飞行距离。根据飞行器质点动力学方程，可有：

由上式可知，若TAEM飞行过程中动压越大，则阻力越大，并使下滑轨迹更陡(γ负的越大)，从而使能量梯度越大。调整动压高于或低于标称动压，使能量消耗变快或变慢，从而约束总能量在合理偏差范围内。动压是一个缓慢变化量，调整动压无法精确控制能量，但可以消除较大的能量偏差，符合TAEM超音速飞行阶段的制导要求。

动压控制是通过法向过载控制实现，动压控制回路如图3所示。

图3 动压控制回路

为了约束飞行器总能量，动压指令计算为：

|E/Wc-E/W|>1000m：

|E/Wc-E/W|≤1000m：

2.2 高度/速度控制策略

进入亚音速飞行范围，制导目标在于捕获下滑轨迹剖面，精确控制飞行器高度、空速(或动压)等状态，以满足着陆段窗口要求。文献[1-4]中均指出高度/速度控制策略被证明有良好控制效果。

高度控制通过法向过载控制实现，其控制回路如图4所示。

图4 高度控制回路

高度控制制导律为：

3 混合制导仿真

图5 减速板控制动压结构图

TAEM制导目标是跟踪标称轨迹飞行，最终捕获下滑轨迹剖面，安全进入跑道着陆范围。评价TAEM制导性能主要考虑RLV飞行能力与TAEM安全飞行范围。TAEM初始位置、航向的不确定性以及纵向风(顺风或逆风)是影响制导性能的2个重要因素，即在TAEM初始状态存在很大不确定性及可能遭遇纵向风影响情况下，制导系统是否能引导飞行器安全进入着陆段。针对本文提出的混合制导方案，在考虑初始位置、航向的不确定性与风的影响情况下进行TAEM制导仿真验证。

表1给出了考虑不同航向、位置与纵向风影响下的仿真初始条件。其中,Ψ为航向角，X为RLV相对跑道纵向距离，Y为相对跑道侧向距离，Vw为纵向风速，TW代表顺风飞行，HW代表逆风飞行。

表1 制导仿真初始条件

表2给出了超音速飞行阶段制导末端状态与理想轨迹状态的仿真误差。

表2 制导仿真误差

序号1～6的仿真没有考虑风的影响，此时飞行器各个状态量与标称状态量误差很小，满足制导性能要求。序号7～10的仿真考虑了风的影响，此时飞行器高度、空速与动压误差很小，而能量误差较大，这是因为能量与惯性速度相关而不是空速，当有风时，空速与惯性速度不相等，制导系统为了控制空速，必须损失惯性速度来补偿风的影响，即损失动能，这也使能量存在一定偏差，所以仿真结果同样满足制导性能要求。

图6给出了动压、高度、空速与能量的随飞行距离变化仿真曲线，图7给出了迎角变化曲线。

图6 仿真状态变化曲线

图7 迎角变化曲线

从上述仿真曲线可知，TAEM飞行过程中RLV的能量、动压、高度等状态变化均在安全范围内，且高度、空速、轨迹倾斜角末端状态均满足TAEM末端窗口要求。

图8给出了一组典型的轨迹跟踪曲线，包括空速、高度、动压与能量，图9给出了相应的迎角变化曲线。其中，实线为实际状态随时间变化，虚线为轨迹状态随时间变化。

图8 典型跟踪曲线

图9 迎角变化曲线

上述仿真跟踪曲线表明在初始能量、动压、高度与速度存在较大偏差情况下，超音速阶段能量、动压、高度与速度状态被控制在较小偏差范围内，进入了亚音速飞行阶段，各个状态快速跟踪上轨迹剖面。

以上仿真与分析结果证明了TAEM混合制导方案是可行的。在超音速飞行阶段，相比传统的高度控制策略，混合制导采用的动压控制策略更加简单，具体体现为：

1) 超音速阶段RLV飞行包线大，涉及轨迹参数多，动压控制策略要求更少的轨迹剖面，只需制导提供动压剖面与能量剖面，其轨迹参数计算量也更小，从而大大简化了制导对轨迹的要求；

2) 超音速飞行范围制导仅使用法向过载作为控制量，控制能力小。法向过载直接应用于控制动压，通过动压指令限幅可直接实现对动压的约束，也即约束舵面铰链力矩，而能量约束则只需通过调整动压指令实现，其制导结构更加简单。

在亚音速飞行阶段，RLV飞行包线小，涉及轨迹参数少，且制导控制能力强，可同时控制飞行器高度与动压(或空速)，此时混合制导采用传统的高度/速度控制策略的控制效果好，同时可保证飞行器高度、空速满足着陆段窗口要求。

4 结论

兼顾TAEM制导简单性与制导性能要求，提出了一种混合制导方案，即超音速飞行阶段采用动压控制策略替代传统方案的高度控制策略，制导实现更简单，大大简化了TAEM制导。而亚音速飞行阶段保持传统方案的高度/速度控制策略，控制效果好，可同时实现对总能量的控制并且保证着陆段窗口对飞行器高度、空速等状态的严格约束。并通过制导仿真验证了混合制导方案的可行性。

在后续研究工作中，需进一步完善混合制导方案的动压控制策略，文献[2-3]指出法向过载并不是一个好的控制量，如何选取一个与动压联系更紧密的控制量是关键。

[1] 孙春贞．重复使用运载器末端区域能量管理与无动力自动着陆技术研究[D]．南京：南京航空航天大学，2008．

[2] 杨一栋．空间再入返回制导与控制[M]．北京：国防工业出版社，2006：161-197．

[3] Thomas E Moore．Space Shuttle Entry Terminal Area Energy Management [M]．Houston：NASA Johnson Space Center，1991．

[4] Ehlers H L, Kraemer J W．Shuttle Orbiter Guidance Systerm for the Terminal Flight Phase [J]．Automatic，1997：11-21．

[5] Garman Golbert L，Montez Moises N．Shuttle TAEM Guidance and Flight Control [M]．Houston：NASA,1991．

[6] Grubler A C．New Methodologies for Onboard Generation of Terminal Area Energy Management Trrajectories for Autonomous Reusable Launch Vehiclesm[D]．Massachusetls：MIT, 2001．

A Mixed Guidance Method for Terminal Area Energy Management of RLV

SIMA Jun HUANG Yimin

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210000, China

Amixedguidancemethodforterminalareaenergymanagement(TAEM)ofreusablelaunchvehicle(RLV)tosimplifythetraditionaryguidancemethod.DuringtheTAEMsupersonicflightphase,withwideflightenvelop,themixedguidancemethodadoptsdynamicpressurecontrolinsteadofthetraditionaryattitudecontrol.ThedynamicpressurecontrolmethodnotonlyrequireslessTAEMtrajectoriesandparametercalculation,butalsomakestheguidanceloopsimpler,whichgreatlysimplifiestheguidancesystemforTAEM.Duringthesubsonicflightphase,withnarrowflightenvelop,themixedguidancemethodadoptsthesameattitude/speedcontrolwithtraditionaryguidancemethod,whilethetraditionarymethodisdemonstratedtoproducegoodperformanceandmeetthestrictrequirementsofattitudeandairspeedinsubsonicflightphase.Furthermore,themixedguidancemethodisproventobeusefulbytestingwithcomputersimulation.

RLV;Energymanagement;Mixedguidance;Dynamicpressurecontrol

2013-08-16

司马骏(1990-),男，安徽宿松人，硕士研究生，主要研究方向为无人飞行器控制技术；黄一敏(1969-)，男，南京人，研究员，主要研究方向为无人机飞行控制技术、直升机飞行控制技术等。

V448.2

A

1006-3242(2014)01-0030-05