学海网

毕业设计-飞行器再入动力学建模与仿真，共51页，18841字，附外文翻译、答辩PPT
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
For the study of the movement of the center of mass reentry vehicle to return to Earth's atmosphere, the need for aircraft dynamics modeling and simulation analysis. Reentry vehicle including ballistic reentry maneuvering warheads, recoverable satellites, manned spacecraft and space shuttles. This paper studies the movement of reentry spacecraft during re-entry.
The main work of this project are: to derive the equations of motion reentry vehicle, get set on flight status variable differential equations; study computer simulation methods to solve the equations of motion simulation to obtain re-entry trajectory. Focus of the study is to establish reentry process three degrees of freedom model. The reentry vehicle seen particle, in the absence of thrust, the derivation of their flight status only when the gravity and aerodynamic effects of mathematical expressions. Where the calculation of aerodynamic effects, the need for aerodynamic parameters are interpolated to determine the aerodynamic characteristics of the aircraft, and the establishment of an appropriate atmospheric density model aircraft reentry into the equations of motion simulation.
Completed a vertical reference trajectory design. Can quickly generate longitudinal reference trajectory obtained by simulation algorithms are designed to meet the re-generation time during hypersonic reentry trajectory requirements. And finally draw a three-dimensional simulation of Fig reentry trajectory.
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

主要技术指标
研究对象为无推力的升力式再入飞行器进入静止地球大气的再入问题，综上假设：
(1) 飞行器为无动力返回的质点；
(2) 侧滑角为0，即飞行器所受侧向力为0；
(3) 地球是一个绕自转轴旋转的均匀球体，地球引力场遵循平方反比引力定律；
(4) 大气层相对地球是静止的，随地球一起旋转。
在上述假设条件下确立建模参考坐标系，分析飞行器受力情况，梳理再入过程状态变量关系，推导建立再入运动微分方程组。忽略牵连加速度和科氏惯性力的影响，即不考虑地球自转的情况时简化再入运动方程。进而选择合适的仿真算法，对微分方程组进行数值求解，作图分析再入轨迹。