基于激光推进的飞行器轨道设计与计算

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激光推进是一种非常先进的推进技术,基于激光推动的飞行器轨道和姿态的研究具有举足轻重的意义。本文讨论了一种新型的飞行轨道,该轨道是周期性的,一个周期由四个阶段组成:激光加速阶段,滑翔阶段,盘旋阶段,返回阶段。第一个阶段激光推动飞行器加速上升,后面三个阶段都没有激光,推力比较小。经过返回阶段,飞行器返回到地面激光器的上空,重新开始加速,开始下一个刷期的飞行。该设计方案反复利用地面激光器作为推进动力,使飞行器能够在空中长时间飞行。 本文建立了一种基于反馈控制的飞行器动力学模型,其运动方程中的操纵控制项模拟飞行器操纵系统(包括升降舵、方向舵等各种操纵面的偏转)产生的气动力和气动力矩。轨道控制的难点是确定操纵控制项的大小,本文给出了两种确定运动方程巾的操纵控制项的方案。对飞行轨道中的各个阶段,分别先进行理论分析和数值模拟,得到了一些有意义的模拟结果。最后,综合考虑整个飞行过程,选收适当的参数,使飞行器能够顺利完成一个周期的飞行,其轨迹与设计的新型轨道基本符合,并且飞行过程中飞行器具有良好的动态和静态稳定性能。 计算结果显示,各个阶段的推力大小对相应阶段的飞行轨迹影响比较大:通过选取不同的加速模式、飞行器各阶段受到的推力大小和控制参数(操纵面偏转角度的表达式),可以很好的控制各个阶段的持续时间和飞行器在空中的停留时间,因此飞行器可以在空中长时间的飞行。因为激光推进中使用的飞行器比较特殊,它自身只携带少量的燃料,产生的推力是很有限的,因此本文的计算能为进一步的激光推进研究提供依据。
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