基于分解策略的SSO发射轨道遗传全局优化设计

提出了基于轨道分解优化和遗传算法（GA）的SSO发射轨道优化设计策略。针对多个轨道段相互耦合问题,基于分解优化策略,将整个发射轨道设计问题分解为两个轨道段设计问题。为了高效可靠地获得全局最优解,对基本遗传算法进行了改进。首先提出了基于多变异操作等改进措施的改进遗传算法;此外,结合遗传算法的全局搜索特性和Powell算法的局部搜索特性,设计了一种串行混合遗传算法。一个二级SSO运载火箭的计算结果表明,轨道分解优化策略确保了问题的成功求解,改进遗传算法和混合遗传算法均可稳定地获得全局最优解,但是混合算法更有效地提高了GA性能。     

考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时,需要进行轨迹和控制的重构,故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响,通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合,提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。仿真结果表明,多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件,从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性,并为制导与控制一体化设计提供参考依据。     

固体运载器发动机内弹道设计方法

为研究对固体运载器总体性能提升有利的发动机内弹道设计方法,建立了发动机内弹道计算模型,并选取两个燃面设计参数表征内弹道曲线构型。针对某三级固体运载器进行了仿真分析,分别以发动机冲质比最大及运载器射程最大为目标对发动机的内弹道曲线构型进行优化设计,并对这两种设计方法进行对比研究。研究结果表明,发动机性能最优并不一定会实现运载器总体性能最优,以运载器射程最大为目标,对发动机内弹道曲线构型进行优化设计,可显著提高运载器总体性能。研究成果可应用于固体运载器总体方案初步论证阶段,提升固体运载器的性能水平及方案论证效率,使固体运载器总体设计方案更具时效性和竞争性。     

超径向可视化技术及其在火箭设计中的应用

针对传统可视化技术处理高维多目标设计优化问题的不足,对超径向可视化技术开展了研究.该技术将超空间Pareto前沿无损地显示于二维空间,有助于设计人员直观了解复杂的Pareto解集空间、并快速获得较好的权衡设计.此外,在超径向可视化过程中,通过采用权重因子和基于偏好区间的颜色标记原则引入设计偏好,可以辅助设计者选择出更加符合特定偏好的设计方案.将超径向可视化技术应用于近地空间火箭的多目标设计优化,验证了该技术处理高维多目标设计优化问题的可行性和高效性.      

可重复使用飞行器导航制导控制技术展望

针对当前可重复使用飞行器的发展现状,总结了其特点、优势和发展趋势.通过飞行任务,分析了可重复使用飞行器所面临的复杂环境特性和飞行控制特性.从飞行控制角度出发,概括了可重复使用飞行器导航制导控制所面临的技术挑战,包括高精度导航技术、多约束航迹优化技术、再入段和能量管理段的制导技术以及强耦合强不确定强鲁棒姿态控制技术等.最后,针对技术挑战,对可重复使用飞行器导航制导控制技术提出了若干建议.     

Impact of mission requirements and constraints on conceptual launch vehicle design

The objective of this paper is to analyse the impact of mission requirements and constraints on both the optimum vehicle design and the effects on flight path selection for two types of reusable two-stage-to-orbit launch vehicles. The first vehicle type considered provides horizontal take-off and landing capabilities and is intended to be propelled by an airbreathing propulsion system during stage 1 flight. The second vehicle type assumes a vertical launch and is accelerated by a rocket propulsion system during the booster stage ascent flight. The analysis employs a design tool for simultaneous system and mission optimization. It consists of a CAD-based preliminary vehicle design tool, aerodynamic and aerothermodynamic calculation software, flight simulation programs, and a two-level decomposition optimization algorithm enabling simultaneous system and flight optimization. The results to be presented show that the cruise flight requirement for an European launched mission of the airbreathing vehicle results in a loss of 60 % payload mass as compared to a mere accelerated ascent for a near equatorial mission into the same target orbit assuming constant take-off mass. The strong dependencies of mission requirements on both the optimal vehicle design and the ascent performance are determined for the rocket-powered vehicle type by varying the inclination and altitude of the target orbit.     

基于混合粒子群算法的上升段交会弹道快速优化设计

基于梯度搜索的高效性和粒子群搜索的随机性,提出了一种混合粒子群算法,并应用该算法研究了运载火箭上升段交会弹道快速优化设计问题.以运载火箭与目标飞行器在交会时刻的距离最小为目标函数,设计了运载火箭飞行程序,建立了运载火箭上升段交会弹道优化模型,同时分别采用混合粒子群算法、遗传算法和粒子群算法进行求解.仿真结果表明:基于本文算法对运载火箭上升段交会弹道进行优化设计,平均交会位置误差为4.137m,较遗传算法减少了17.940m,平均优化耗时488.922s,较粒子群算法缩短了2342.125s.混合粒子群算法搜索速度较快,收敛精度较高,可用于运载火箭上升段交会弹道的快速优化设计.      

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。     

Uncertainty analysis and design optimization of hybrid rocket motor powered vehicle for suborbital flight

In this paper, we propose an uncertainty analysis and design optimization method and its applications on a hybrid rocket motor(HRM) powered vehicle. The multidisciplinary design model of the rocket system is established and the design uncertainties are quantified. The sensitivity analysis of the uncertainties shows that the uncertainty generated from the error of fuel regression rate model has the most significant effect on the system performances. Then the differences between deterministic design optimization(DDO) and uncertainty-based design optimization(UDO) are discussed. Two newly formed uncertainty analysis methods, including the Kriging-based Monte Carlo simulation(KMCS) and Kriging-based Taylor series approximation(KTSA), are carried out using a global approximation Kriging modeling method. Based on the system design model and the results of design uncertainty analysis, the design optimization of an HRM powered vehicle for suborbital flight is implemented using three design optimization methods: DDO, KMCS and KTSA. The comparisons indicate that the two UDO methods can enhance the design reliability and robustness. The researches and methods proposed in this paper can provide a better way for the general design of HRM powered vehicles.In this paper,we propose an uncertainty analysis and design optimization method and its applications on a hybrid rocket motor(HRM)powered vehicle.The multidisciplinary design model of the rocket system is established and the design uncertainties are quantified.The sensitivity analysis of the uncertainties shows that the uncertainty generated from the error of fuel regression rate model has the most significant effect on the system performances.Then the differences between deterministic design optimization(DDO)and uncertainty-based design optimization(UDO)are discussed.Two newly formed uncertainty analysis methods,including the Kriging-based Monte Carlo simulation(KMCS)and Kriging-based Taylor series approximation(KTSA),are carried out using a global approximation Kriging modeling method.Based on the system design model and the results of design uncertainty analysis,the design optimization of an HRM powered vehicle for suborbital flight is implemented using three design optimization methods:DDO,KMCS and KTSA.The comparisons indicate that the two UDO methods can enhance the design reliability and robustness.The researches and methods proposed in this paper can provide a better way for the general design of HRM powered vehicles.     

Optimal air-launching rocket design using system trades and a multi-disciplinary optimization approach

Compared with the conventional ground rocket launching, air-launching has many advantages. However, a comprehensive and integrated system design approach is required because the physical geometry of air launch vehicle is quite dependent on the installation limitation of the mother plane. For the selection of the best system alternative, a trade study for the first stage engine type and launching speeds is performed using a sequential optimization technique, confirming the feasibility of the baseline air-launching rocket. Then, a system design has been performed using the multi-disciplinary feasible (MDF) design optimization method. Analysis modules include mission analysis, staging, propulsion analysis, configuration, weight analysis, aerodynamics analysis and trajectory analysis. As a result of multi-disciplinary system optimization, a supersonic air launching rocket with total mass of 1244.9 kg, total length of 6.36 m, outer diameter of 0.60 m has been successfully designed to launch a satellite of 7.5 kg to the 700 km circular orbit.     

空天飞机最优轨迹／推进性能研究

基于Ｓａｎｇｅｒ的气动外形，推进系统模型，质量模型等，采用飞行力学，最优控制理论及其数值计算等方法，研究了二级入轨水平起飞载机最小起飞质量的上升轨迹，得到了给定任务需求条件下吸气式组合发动机总体性能要求。合理分析了载机最优上升轨迹，任务需求对吸气式组合发动机总体性能的要求。得到了一些明确而重要的结论。     

高超声速飞行器多目标气动优化设计

随着高超声速飞行器的发展,其外形优化受到了广泛关注。应用一种新型的改进多目标布谷鸟优化搜索算法(IMOCS),采用修正的牛顿法与面元法相结合来获得高超声速飞行器的气动性能,采用自由变形参数化方法(FFD)来进行外形的参数化,以最大化容积率和升阻比为设计目标,开展了高超声速滑翔飞行器的多目标气动外形优化设计,获得了综合容积率及升阻比性能更高的气动外形,验证了方法的有效性。最后,将IMOCS算法和当前主流的多目标优化算法NSGA-Ⅱ进行了对比,结果表明,IMOCS算法的效果明显优于NSGA-Ⅱ。     

可重复使用运载器结构重量估算方法研究

对可重复使用运载器总体参数统计数据进行回归分析,得到了可重复使用运载器结构重量估算公式,并以某可重复使用运载器为例进行了验算,结果验证了结构重量评估公式的合理性和可用性;通过定义无量纲形式的敏感度函数和敏感度因子,使各总体设计参数的敏感性可进行对比评价,并以此分析了可重复使用运载器结构重量估算公式对单个总体设计参数的敏感度,总结出可重复使用运载器结构重量随总体参数变化的规律。其结构重量估算公式对我国未来可重复使用运载器的设计具有直接参考价值。     

基于正交试验的航行体弹道仿真优化设计

为确保水下发射航行体再入水后弹道安全,分析了航行体弹道影响因素,构建了带有阻尼板航行体的弹道数学模型,将发射后航行体与发射载体的最近距离作为安全性判定标准,采用正交试验方法,对水下航行体的阻尼板数量、尺寸及张开角度3个参数进行了仿真优化分析。仿真结果表明:当阻尼板数量为6块、长度为800 mm、张开角度为80°时,水下发射航行体质心z方向侧移量最大,航行体尾端与发射载体假想壁距离最大,安全性最高。     

高超声速巡航飞行器气动布局优化软件设计

从总体性能指标角度出发,采用面向对象的编程方法,基于Visual C 开发了高超声速巡航飞行器气动布局优化软件。整个优化软件分为参数化建模模块、面元生成模块、性能指标计算模块、优化算法模块。各模块之间相对独立,通过函数接口实现互联,具有非常好的可维护性、可重用性和可扩展性。该软件实现了对高超声速巡航飞行器的气动力、气动热、隐身性能、操稳性能等总体性能指标进行气动布局多目标的优化,能够满足高超声速巡航飞行器概念研究和初步设计要求。     

TSTO运载器一级返场轨迹优化设计与在线生成

对水平起降两级入轨（TSTO）运载器一子级返场轨迹优化和轨迹在线生成问题进行了研究。首先，给出了较独特的一子级再入轨迹设计策略：先给定侧向剖面，再分段优化求解三维轨迹。针对返场过程的大幅转向需求，设计了形式简单的倾侧角-航向角偏差剖面，并定义了具有不同任务的航向转弯段和航向微调段；针对一子级宽速域气动变化显著特点，为避免轨迹跳跃，定义了增高减速段和下降滑翔段，并采用分段优化策略求解三维轨迹。其次，针对分离扰动造成的一子级初始状态偏差，扩展了自适应高维伪谱插值（AMPI）算法的参数空间，并将其应用于返场轨迹在线生成问题。仿真结果表明，设计的倾侧角剖面能够在倾侧角不翻转的前提下调整飞行航向对准着陆场，设计的分段优化策略能够保证高度曲线平稳无跳跃，采用的自适应高维伪谱插值算法能够在分离扰动影响下快速准确地实现在线轨迹生成。     

载人登月人货分运与人货合运模式对比分析

由于载人航天任务所具有的确保航天员安全的特殊属性,载人登月任务模式往往因此必须考虑救生等多种环节和因素,变得十分复杂。针对目前载人登月人货分运及人货合运两种任务模式,通过比较分析表明,从安全性、任务风险、飞船设计约束、发射窗口、测控支持复杂度方面来看,人货合运模式要优于人货分运模式,但是人货合运模式中的重型火箭如果被要求按照载人火箭标准进行设计和考核,其研制周期、经费方面的投入将会增加。     

用运载器评价发动机方案的方法

早期在对液体推进剂火箭发动机方案进行评价与选择时,仅以发动机本身的指标(如比冲、推重比等)作为方案比较的标准。这样没有考虑发动机子系统与运载器总系统的相互联系,得不到合理的评价结果。液体推进剂火箭发动机是航天运载器的一个子系统,采用运载器的性能指标评价发动机方案才能得到比较客观的结果。 本文推导了运载器的评价指标,给出了运载器的线性化质量方程,阐述了运载器设计参数的简化确定方法,由此提出了一个采用运载器评价发动机方案的方法。最后应用提出的方法对五个发动机方案进行了评价。     

飞行器体系优化设计问题

针对传统的飞行器设计与体系（SOS）设计相互独立造成的飞行器实际作战效能不足的问题,对同时考虑飞行器与体系耦合设计的飞行器体系优化设计问题展开研究。首先,根据体系工程（SOSE）原理给出了耦合飞行器设计与体系结构设计的飞行器体系优化设计问题的基本概念与通用数学定义;其次,基于多层体系架构,构建了飞行器体系设计优化模型,提出了包含问题定义、体系架构建模、学科建模、优化求解4个步骤的通用建模求解流程;最后,以巡飞/精确打击武器协同作战为例,构建了面向任务成本最低、时间最短的协同作战体系最优化问题并对其进行优化求解。与先设计飞行器后设计体系结构的解耦设计结果对比表明,解耦优化设计忽略了体系结构与飞行器的强耦合特征,无法最优化体系效能;耦合优化设计能够获得体系效能最大化的飞行器设计方案。     

小推力深空探测轨道全局优化设计

 针对小推力深空探测四维轨道优化设计,给出了一种组合优化算法,采用该算法基于二体模型进行了深空探测四维轨道全局优化。该组合优化算法由动态规划算法、静态参数优化算法与共轭梯度算法组成。动态规划算法和静态参数优化算法用以选择最优的发射窗口、返回窗口及相应的近似飞行轨道;基于该近似轨道方案,采用共轭梯度算法（解决两点边值问题）求解精确的最优轨道。通过大量的数值仿真计算,得到了航天器的全局最优飞行轨道,及相应的最优发射窗口与返回窗口。数值仿真结果表明,该组合优化算法对深空探测轨道优化具有良好的通用性和工程运用价值。