● 摘要
可重复使用运载飞行器（Reusable Launch Vehicle，RLV）具有 “快速、廉价、机动、可靠”等特点，这决定了其是未来战略武器和航天运输系统的主流发展方向。与一次性飞行器不同，RLV可再入大气层并降落在指定地点，简单维修后又可再次执行飞行任务。
为了在过载、热流密度和动压等约束下将RLV导引到指定着陆场，研究了一种高精度自主返回与着陆方法，该方法将自主返回与着陆过程分为再入段、末端能量管理段（Terminal area energy management，TAEM）和着陆段进行设计。本文主要研究内容有：
（1）基于在线规划技术，给出了一种再入段参考弹道分段规划方法。根据是否满足拟平衡滑翔条件将再入过程分为初始掉高段、拟平衡滑翔段和前末端能量管理（Pre-TAEM）段，分段设计参考弹道。针对倾侧角翻转造成的跟踪射程误差较大问题，在Pre-TAEM段提出了改变攻角设计规律以降低射程误差的方法，可提高再入末端精度，降低TAEM段设计压力，使TAEM段仅采用一个HAC（Heading alignment cylinder）圆柱即可满足设计要求。飞行中采用纵向PID（Proportion，Integration and Differentiation）反馈和横向开关控制保证了参考弹道跟踪效果。
（2）基于逆动力学知识，提出了一种可严格保证末端飞行位置的TAEM段弹道规划方法，解决了RLV预着陆时需严格对准跑道问题。论文先设计出参考弹道几何形状，然后反求出参考弹道所对应控制量。弹道形状保证了位置信息的准确性，速度约束和过程量约束通过序列二次规划优化HAC圆柱大小和位置来满足。
（3）针对RLV着陆时着陆位置和接地下沉率的严格要求，设计了一种可在有限跑道长度内实现软着陆的着陆段弹道规划方法。论文通过设计参考高度剖面满足着陆位置约束，通过序列二次规划算法优化参考弹道满足着陆表速约束。在设计参考高度剖面时考虑了接地弹道倾角变化率约束，可严格控制接地下沉率，实现软着陆。与TAEM段一致，采用PID反馈控制技术保证了对参考弹道的紧密跟踪。
（4）STK（Satellite Tool Kit）视景仿真。将仿真所得RLV弹道信息和姿态信息生成星历文件，利用STK软件模拟自主返回与着陆飞行全过程。
仿真结果表明，本文方法可在诸多过程约束下将RLV从不同再入初始点导引到指定着陆点，并在较短跑道长度内实现软着陆，蒙特卡洛仿真验证了该算法的鲁棒性。