题目：吸气式高超声速飞行器纵向动力学建模与控制初步研究

  吸气式乘波体飞行器采用超燃冲压发动机与机身高度耦合的布局，是带动力高超声速飞行器的主要方案之一。本文以类X-43飞行器为对象构建吸气式高超声速飞行器纵向动力学模型，评估其动力学特性，并进行初步的控制律设计。

  首先，综合激波/膨胀波理论、一维等熵流理论和一维瑞利流理论等理论预测方法，计算气动力和发动机推力，获得了高超声速纵向气动力和超燃冲压发动机工作的主要特征、限制及变化趋势。分析数据表明，飞行器表现强的气动/推进耦合特性。发动机燃油当量比的改变会引起明显的气动力变化，其从零变化至最大允许值，引起的气动升力、阻力和俯仰力矩的变化分别能够超过60%、50%、15%。飞行迎角从-5°增加至5°，发动机推力增加超过90%。发动机存在热阻滞现象，其决定了飞行马赫数的下限或者最大允许燃油当量比。迎角增大，最大允许燃油当量比减小。

  其次，基于动力学模型计算获得了高超声速飞行包线，包线呈现带状的走廊特征，并在包线范围内对飞行器机动能力和模态特性进行初步分析。包线给出了飞行器由于发动机热阻滞所形成的速度左边界，结合结构引起的动压限制，确定允许的最低飞行高度和马赫数分别约为17km和4马赫。确定了飞行器具有最优机动性能，即能够产生最大法向过载及最大轴向加速度（最大正常爬升率）的飞行区域，分别为小马赫数以及接近高度27km、速度9马赫的区域。飞行器存在4个运动模态，特征结构表明所有模态中均表现出明显的高度运动，轨迹与姿态严重耦合。存在不稳定模态，且模态参数随飞行状态变化不剧烈。

  最后，针对纵向动力学模型的强气动/推进耦合特征，以速度和迎角为被控输出，采用增量动态逆设计纵向非线性控制律。与常规动态逆的比较仿真计算表明，增量动态逆在存在系统摄动干扰的条件下，仍然具有较好的闭环响应特性。引入非线性跟踪微分器方法，通过对飞行状态信号的滤波，得到其变化率，从而满足增量动态逆对于状态导数信号的反馈需求，完成控制律设计。