Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式,结合了飞船和航天飞机的特点,升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大,而且可以部分重复使用,是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向.采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型,利用多目标遗传算法进行了优化计算,获得了约束条件下的Pareto最优解集.     

Clipper返回舱气动布局优化方法研究

俄罗斯联邦空间局提出的Clipper飞船返回舱采用升力再入方式，结合了飞船和航天飞机的特点，升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大，而且可以部分重复使用，是未来低成本天地往返运输系统可能的发展方向。采用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测，建立了考虑高超声速升阻比和效用容积时的多目标气动布局优化模型，利用多目标遗传算法进行了优化计算，获得了约束条件下的Pareto最优解集。     

基于混沌粒子群算法的跳跃-滑翔轨迹优化

研究了一种高超声速跳跃-滑翔弹道方案。通过末级发动机多次点火,将再入弹道设计成临近空间的跳跃-滑翔弹道,在满足过程约束和航程约束的前提下实现总加热量最小的目标。采用混沌粒子群算法优化轨迹,通过引入混沌扰动避免算法早熟收敛。最后通过对高升阻比再入滑翔飞行器CAV-H的仿真分析,验证了优化算法的有效性。     

再入轨迹多约束模型预测静态凸规划方法

针对大升阻比可重复使用飞行器再入滑翔轨迹规划问题,提出了一种基于自适应分段Chebychev伪谱离散的多约束模型预测静态凸规划算法(P CMPCP),实现了全量终端状态约束及多过程约束作用下再入轨迹的高精度迭代解算。考虑倾侧角翻转导致控制量不连续,传统规划方法难以同时严格满足终端位置、角度约束,且过程约束易超限,采用自适应分段伪谱离散策略,构建全程飞行状态及过程性能指标约束对各配点处控制调整量的敏感度关系,从而将非线性最优控制问题转化为静态凸规划问题,并利用内点法对各分段控制量进行了协调优化。本文所提方法无需对动力学模型进行简化或近似处理,即能以少量积分运算使轨迹满足再入全量模型约束,且控制量平滑,数值精度优于传统规划方法。     

新型升力再入飞船返回舱气动外形选型研究

未来低成本天地往返运输系统的气动外形设计的总体要求是升阻比高、机动性强、稳定性好、过载低、空间大、可重复使用等。结合国内技术水平和国外经验教训,提出了我国未来新型升力再入飞船返回舱的总体气动需求,采用平面斜切二次曲线构造截面的模线设计方法,设计了四种满足长度、截面尺寸和容积等总体需求的返回舱布局方案。利用基于牛顿理论的气动力工程方法对气动特性进行预测,利用气动力与六自由度弹道的耦合计算研究返回舱无控再入飞行特性。研究表明,所设计的返回舱外形高超声速稳定配平升阻比大于0.9,阻力系数大于0.5,法向过载低于2.5,具有较好的静动稳定性,具备可部分重复使用的潜力。     

基于代理模型技术的返回舱外形优化

针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热务件,在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标,以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真（CFD）方法,采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流,采用NSGA－II优化算法进行全局寻优,为了增强多目标优化设计的计算效率,利用Kriging代理模型替代CFD计算,并引入改进的EI函数加点策略,大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明,代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内,基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此,该方法能够较好地满足初步设计的要求,为返回舱外形优化提供有益的借峪。     

基于平衡滑翔的升力再入攻角设计分析及应用

针对面对称中高升阻比飞行器再入攻角的优化问题,从工程角度系统分析了升力再入攻角优化问题的多种约束,基于平衡滑翔条件结合失速攻角、初始再入攻角和平衡滑翔攻角等,得到了再入段飞行的攻角设计空间,并给出了再入攻角剖面设计的具体可行方法。所提出的设计方案可用于快速选定满足各种过程约束的速度-攻角剖面;将该攻角设计方法应用于覆盖区优化问题,在继承已有方法的快速求解速度下,仿真结果及对比表明所规划的攻角剖面具有与直接法相似的最优性。     

基于序列凸优化的高超声速滑翔式再入轨迹快速优化

针对具有热流、动压、过载以及多个禁飞区约束的再入轨迹优化问题,提出采用序列凸优化方法快速求解。利用归一化时间作为自变量解决终端时间自由问题,并引入辅助控制变量以减少序列优化结果中的高频振荡,在此基础上,通过线性化、离散化和非凸约束的凸化处理,将非凸非线性优化问题转化为二阶锥规划(Second Order Conic Programming,SOCP)问题,然后采用凸优化求解算法快速求解。数值优化结果与对比验证表明该方法能快速高效求解多约束条件下的再入轨迹优化问题,且计算效率和性能均优于传统的非线性规划方法。     

某型超声速半流伞气动热及气动特性研究

多用途飞船返回舱将以自旋方式半弹道再入大气层。返回舱再入飞行过程中,在超声速段存在第二个配平点,有可能出现姿态翻滚的情况。为避免返回舱姿态的不确定引起减速伞的开伞故障,返回舱配备了一个稳定伞,该稳定伞采用半流伞型,开伞高度约为26km,开伞时伞船系统Ma=3.0。因此,该降落伞面临非常严重的气动加热情况。文章基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,验证了简化模型的可靠性,并对二维模型进行仿真,得到了降落伞及流场的速度分布、压力分布、温度分布。可以看出:相同高度下,随着速度值的增大,流场的动压值也是在增大的;相同马赫数下,随着高度的降低,流场的动压值也在增大;伞衣内表面温度始终是要高于外表面温度,且伞面温度最高的区域都处于伞顶口附近的伞带内表面上。     

直接再入大气的月球返回轨道设计研究

直接再入大气的月球返回轨道是月球采样返回任务普遍采用的飞行方案。文章将月-地转移轨道设计与再入大气仿真相结合,通过两级修正策略和落点匹配使月球返回轨道既满足再入界面约束又满足再入点地理位置约束。两条分别采用弹道式和弹道-升力式再入的月球返回轨道的计算结果表明,此方法是有效的。     

探月返回器跳跃式再入过载抑制算法研究

针对小升阻比探月返回器大航程、跳跃式再入的特点,采用了新的过载约束条件,并在此基础上对过载抑制问题进行了描述。然后对跳跃式再入过程中影响开普勒段航程的因素进行了分析,将气动升力在地球矢径方向的分量等效为万有引力的小扰动力,推导得出了与预测校正制导律相结合的过载抑制算法。最后通过仿真校验了该算法在不影响返回器着陆精度的前提下有效实现了过载抑制,各种偏差情况下的蒙特卡洛仿真也体现了该算法的实用性及鲁棒性。     

航天器大气进入过程制导方法综述

研究承担进入任务的升阻比小于0.5的小升阻比航天器,基于对该类航天器大气进入制导方法的调研,分别以地球大气再入和火星大气进入过程为例,分析了进入制导需满足的各种约束和待解决的技术难题,并对大气进入制导控制方法的研究现状进行了阐述,对不同方法的优缺点进行了对比研究分析和归纳总结,对未来研究发展方向进行了展望。     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

单周期冲跃飞行轨迹性能参数影响程度分析

对高超声速飞行器的单周期冲跃飞行轨迹进行了研究。建立了动力学模型和约束条件。仿真分析了升阻比、初始速度和初始弹道倾角对飞行轨迹性能的影响,并讨论了影响程度,确定了适于该飞行器的最佳飞行走廊,为后续的冲跃飞行轨迹完整设计和优化提供了参考。     

一种翼身组合体的气动设计及优化

翼身组合体具有较高的升阻比,可进行较大范围的机动,而且还可以提高落点精度、扩大再入走廊、降低热流峰值并降低过载。采用模线设计方法设计横截面控制点,借鉴航天飞机气动力工程计算方法发展了一套可以预估翼身组合体飞行器纵横向气动力的工程计算方法。提出并建立了翼身组合体飞行器的优化设计模型并进行了计算,获得了带后掠下反翼的翼身组合体优化方案。本方案在5°攻角时升阻比可达6.5,并给出了飞行器稳定配平的质心布置条件。在纵向稳定配平时,组合体飞行器在偏航及滚转方向均为静/动稳定的。研究表明,本方案可在较小攻角时获得较大升阻比,并具有纵横向稳定性,是高超声速机动的潜在可行方案。     

二次曲线截面弹身的气动设计及优化

非圆截面弹身外形飞行器是当前飞行器设计的一个重要发展方向。利用平面斜切圆锥获得的二次曲线可以构造圆、椭圆、抛物线及双曲线等典型的飞行器截面形状。采用模线设计方法并引入二次曲线形状控制参数，可以快速简便且精确地构造各种二次曲线弹身形状。发展了一套可以预估横截面为二次曲线的飞行器高超声速纵横向气动力工程计算方法。提出并建立了二次曲线截面弹身飞行器的优化设计模型，并利用相同的优化模型对圆截面、椭圆截面、双曲线截面及抛物线截面外形进行了优化。最后，对二次曲线截面弹身外形飞行器的气动特性进行了比较。     

基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化

针对月球精确定点软着陆问题,考虑导航及障碍检测敏感器视场约束及制动发动机推力大小约束,对月球动力下降段轨道优化方法进行了研究。首先建立了含约束条件的三维定点软着陆轨道优化问题模型,根据庞德亚金极小值原理推导了最优推力开关方程,并给出了推力奇异区间不存在的证明。针对优化模型中的复杂非线性约束,引入凸优化理论将问题转化为二阶锥优化问题,并采用内点法求解了最优标称轨迹。最后给出了月球软着陆制动段、接近段的仿真结果,验证了该着陆轨道优化方法的有效性。     

Problems of control of a re-entry vehicle with a moderate lift-to-drag ratio during its entry into the atmosphere

We consider the problems of control of the angular and trajectory motion of the Kliper re-entry vehicle. This spacecraft with a moderate hypersonic lift-to-drag ratio is designed according to the load-carrying frame scheme. Gas-dynamic engines, a split balancing flap, and an air brake are used as mounting devices of control.     

跨大气层飞行器的无动力跃滑弹道优化研究

针对跨大气层飞行器的无动力跃滑飞行弹道的特性,建立了其飞行动力学模型,通过弹道仿真分析了该弹道相对于最小能量弹道所具有的射程和突防性能优势,提出了几种跳跃飞行可能采用的控制方式,其中最大升阻比控制方式在单一控制方式中的射程最大,在此基础上,基于射程最大进行全弹道优化,结果表明最大升阻比滑翔飞行是使射程最大的最佳飞行方式。     

基于SQP方法的常推力月球软着陆轨道优化方法

月球软着陆是未来月球探测中的一项关键技术。针对这项技术，本文给出了一种基于SQP方法的常推力月球软着陆轨道优化方法。该方法通过将常推力月球软着陆轨道离散化，利用离散点处状态连续作为约束条件，把常推力月球软着陆轨道优化问题归结为一个非线性规划问题，对于此问题的求解，其初值均为有物理意义的状态和控制量，从而避免了采用传统优化方法在解决此优化问题时对没有物理意义变量初值的猜测。最后，利用SQP方法求解了此轨道优化问题。仿真计算结果表明这种离散化的方法应用于此轨道优化问题可以避免传统轨道优化方法对初值敏感的问题。