Analysis of control programs and climb paths of the hypersonic first stage of an aerospace system

Abstract

Control programs and flight paths of the hypersonic first stage of an aerospace system in climb with acceleration to hypersonic velocity are analyzed. Two approaches to determining the control programs and flight paths are identified: the "traditional" approach and the "optimization" one. The "traditional" approach implies specifying a typical mission profile with max-q and peak heat flux. In the case of the "optimization" approach the problem of propellant mass minimum is stated and solved using the method of Pontryagin’s maximum principle. It concerns the mass of propellant consumed in hypersonic acceleration for various terminal flight path angles. Optimal control programs and optimal flight paths are determined. Those meeting the max-q and peak heat flux requirements are selected. The results of modeling the motion of a hypersonic booster with typical and optimal angle-of-attack schedules corresponding to the "traditional" and "optimization" approaches are presented and discussed. It is established that less propellant is consumed in the case of optimal control, which is accounted for by more efficient use of the hypersonic booster's aerodynamic performance due to direct control of the angle of attack.

Disturbed motion of the hypersonic first stage of an aerospace system in climb

“…Источники информации о массовых, геометрических, аэродинамических характеристиках ГР и высотно-скоростных характеристиках и секундном расходе топлива ДУ указаны в [1].…”

“…4, 5 для предельных отклонений АХ. Задача оптимального управления, как и в [1], решалась с применением формализма принципа максимума Понтрягина [8].…”

“…16-28. DOI: 10.18287/2541-7533-2019-18-3-16-28 Введение В работе авторов [1] для гиперзвуковой первой ступени авиационно-космической системы (АКС) -гиперзвукового разгонщика (ГР) -была получена оптимальная программа управления углом атаки и соответствующая ей траектория набора высоты с минимальным расходом топлива. Расходы топлива при оптимальном управлении оказались меньше, чем при «традиционном» подходе [2][3][4], когда с целью максимизации удельного импульса (оптимизации работы двигательной установки) задаётся типовой профиль полёта по линии максимального скоростного напора с последующим набором высоты по линии максимального теплового потока.…”

“…Результаты в [1] получены для невозмущённого движения, т.е. при стандартной плотности атмосферы и номинальных аэродинамических характеристиках гипотетического ГР.…”