高超声速再入滑翔飞行器的飞行轨迹与弹道导弹相比,具有飞行高度低、飞行时间短、机动突防能力强和飞行轨迹不易预测的优点,能够更好地实现全球快速精确打击,因此再入滑翔飞行器近年来受到了极大的关注。然而,多次的高超声速飞行器试飞失败证明了高精度再入制导和高超声速飞行器大攻角飞行失稳问题是必须解决的基础科学问题。本文研究了高超声速滑翔飞行器再入制导问题和在大攻角飞行下的非线性失稳问题。针对再入制导特点,提出了三维平衡滑翔空间概念,并设计了自适应再入导引律。将分岔理论和连续算法引入到高超声速飞行器非线性动力学模型分析中,从全新的视角分析了大攻角飞行下飞行器纵向和横侧向非线性失稳问题,并结合动态逆控制器研究了具有时间延迟的闭环系统非线性动力学特性;最后基于连续算法从模型动力学特性差异出发,针对大包络飞行的强非线性高超声速飞行器动力学模型,完成了全局子模型划分。主要研究工作如下:(1)基于三维平衡滑翔空间的高超声速再入制导律设计将二维再入走廊扩展到了三维再入走廊,建立了高度-速度-攻角(H-V-?)和阻力-速度-攻角(D-V-?)三维再入走廊;同时基于平衡滑翔条件提出了一种满足路程约束的倾侧角-速度-攻角(?-V-?)三维平衡滑翔空间概念,该三维平衡滑翔空间可以有效地将路径约束(过载、热流和动压)转换为对控制变量(攻角和倾侧角)的约束。之后,将自适应比例导引律与三维平衡滑翔空间相结合,并引入了空间裕度的概念,设计了高超声速再入制导律,并通过仿真验证了制导律的自适应性和鲁棒性。(2)高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析针对高超声速飞行器大攻角纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解了多特征点单参数分岔图,并对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析;进一步分析了分支之间运动的滞后效应以及稳定平衡点的吸引域;结合高超声速飞行器大包线飞行特性,求解分析了双参数分岔,并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面,从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性;分析了单参数扰动和多参数组合扰动下动力学模型平衡分岔图的扰动变化,给出了最大的分岔突变区域,以及发生突变对应的攻角区间和舵偏角区间。(3)高超声速飞行器纵向闭环非线性动力学分析基于非线性动态逆和分阶控制思想,设计了非线性控制器,计算并得到了非线性闭环系统的全局特征根分布,结合闭环系统全局性能分析,检验了非线性控制器的有效性和较优的全局性能;对闭环系统进行了时间历程仿真,进一步验证了非线性控制器的有效性。之后,研究了忽略舵面气动力对闭环系统性能的影响,得出了忽略舵面气动力将对闭环系统稳态误差和角频率产生较大影响的结论;再者,研究了考虑舵面时间延迟对闭环系统性能的影响,研究发现随着时间常数的增大,闭环系统性能迅速下降;采用单参数和双参数连续算法进一步研究了在大时间常数下系统的分岔现象,发现了闭环非线性系统在大时间常数下存在霍夫分岔(Hopf),倍周期分岔(Period-Doubling),极限环极限点分岔(Limit Point of Circle),广义霍夫分岔(Generalized Hopf),极限环尖点分岔(Cusp Point of Circle)以及同宿分岔(Homoclinic)现象,并通过时间历程仿真发现了在大攻角倍周期分岔运动中存在混沌现象;最后给出了二维参数分岔图以及不同区域对应的运动规律和失稳改出策略。(4)高超声速飞行器大攻角横侧向非线性失稳分析针对高超声速飞行器大攻角横侧向失稳问题,采用连续算法和分岔理论,求解并分析了以俯仰舵偏为连续参数的稳态平衡分岔图和以副翼舵偏为连续参数的横侧向机动平衡分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析,并给出了五阶模型的特征根拓扑结构。研究表明,高超声速飞行器存在极限点分岔(Limit Point)、霍夫分岔(Hopf)以及叉型分岔(Branch Point),且从叉型分岔点延伸出多个平衡分支,引起横侧向的自滚转失稳;从Hopf分岔点延伸出极限环分支,该分支对应较为复杂的极限环运动,其中包含PD分岔、NS分岔、LPC分岔等复杂的分岔现象,同时还存在高频大幅值极限环现象;在横侧向机动情况下,存在横向操作偏离失稳问题以及多个不稳定平衡点问题。最后给出了失稳抑制和滚转机动的策略。(5)基于分岔理论的高超声速飞行器多特征模型研究采用连续算法求解高超声速飞行器非线性动力学模型的全局特征根空间结构分布,建立了特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,完成了基于动力学特性差异的多模型划分。首先,研究了纵向动力学模型的全包线特征根空间拓扑,根据特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,将纵向动力学模型划分为三个子模型;之后,研究了横侧向动力学模型的全包线特征根空间拓扑,即荷兰滚模态对应的特征根拓扑和滚转模态对应的特征根拓扑,根据建立的特征根与子模型动力学特性之间的映射关系,将横侧向动力学模型划分为了六个子模型;最后,研究了五阶耦合动力学模型的特征根空间拓扑,并将五阶耦合动力学模型划分为了四个子模型。