临近空间动能拦截器制导控制算法研究

为了实现动能拦截直接碰撞目标,分析了反临近空间作战动能拦截器的工作特点和姿/轨控发动机的工作方式;借鉴零控脱靶量原理,设计了一种以轨控发动机开启时间为制导指令的制导律;考虑到拦截器捷联导引头没有稳定平台,设计了姿态控制律,利用姿控发动机实现拦截器的三轴稳定和目标跟踪。仿真结果表明,拦截器能够直接碰撞目标,验证了制导控制算法的有效性。     

大气层外动能拦截器末制导分析

以大气层外动能拦截器拦截战术导弹弹头为研究目的，建立了拦截器的六自由度运动学，动力模型，以及拦截器的轨控和资控发动机推力特性和控制模型。提出了修正比例导引律的实现方案，进行了末制导过程的仿真，并分析了影响脱靶量的一些因素。仿真结果表明，在轨控和姿控发动机的作用下，拦截器可以直接命中目标。     

基于零控脱靶量的大气层外拦截中制导研究

针对大气层外拦截中段采用耗尽关机固体燃料发动机的情况,设计了基于零控脱靶量的鲁棒中制导律。推导了系统状态转移矩阵,通过数值方法求解得到考虑地球扁率J2摄动项的拦截器零控脱靶状态,在此基础上将推力分解到视线方向和垂直视线方向,并根据垂直视线方向需要速度增量大小设计了推力分配比例系数,使得推力方向平稳变化且能快速减小系统的零控脱靶量。仿真表明,所设计的中制导律简单、可靠,便于工程实现,能有效提高拦截精度,并对发动机工作参数具有较强的鲁棒性。     

动能拦截器姿轨控发动机开关机控制规律设计

研究了动能拦截器轨控发动机的变推力实现方案,重点设计了姿轨控发动机的开关机控制规律,并通过拦截过程仿真,对所设计的控制规律进行了验证。仿真结果表明,姿控系统可以达到很高的角度控制精度,轨控系统可以控制拦截器与目标直接相撞。这说明所设计的姿轨控发动机开关机控制规律是有效的。     

基于零控脱靶量的大气层外超远程拦截制导

考虑拦截器使用固体推进系统的情况,设计了基于零控脱靶量(ZEM)的大气层外超远程拦截制导方法。首先设计了考虑摄动影响的适用于超远程拦截的零控脱靶量计算方法;其次使用变分法结合Kepler轨道摄动方程推导了线性的ZEM动力学方程;最后考虑固体推进拦截器的可控性约束条件设计了ZEM控制律并结合动力学方程确定指令推力方向。本文给出的制导方法设计过程中没有对拦截器和目标的引力差进行简化,考虑了摄动因素对滑行段弹道的影响,制导精度对推进系统参数偏差的鲁棒性好。仿真结果表明使用本文制导方法拦截大气层外超远程目标,脱靶量可达公里量级,推进系统参数偏差对制导精度的影响很小。     

双轨控发动机动能多拦截器制导律研究

在多拦截器反导应用背景下,对双轨控发动机动能多拦截器制导律进行了研究,并基于三维最优制导律对三维空间内平面拦截弹道制导方法进行了研究。该方法基于三维最优制导律寻找初始拦截弹道平面,在弹道平面内根据新的目标末端估计值产生指令过载,最后对该方法进行了仿真计算,试验结果表明该方法具有科学性和工程应用价值。     

一种适用于大气层外动能拦截器的末制导律

 针对大气层外动能拦截器拦截问题，设计了一种简单有效的末制导律。推导出计算零控脱靶量一种新的解析表达式，由于在推导过程中考虑了两飞行器间重力差影响，得出的表达式相对于将两飞行器重力差简化为零重力模型得到的解析式具有更高的精度；根据平行接近法原理利用此表达式推导出一种简单的末制导律；详细介绍了脉宽调制(PWM)式实现变推力控制的方案，仿真中在考虑发动机工程约束的情况下，利用PWM技术对提出的制导律进行验证。对机动目标进行拦截仿真显示，提出的制导律在取得良好拦截精度的同时表现出较强的鲁棒性。     

基于PXI的液体姿轨控火箭发动机试验测控系统设计与实现

针对液体姿轨控火箭发动机地面试验高精度、高风险和灵活多变的特点,设计研发了一套以PXI （PCI extensions for instrumentation）控制器为主体的发动机试验测控系统.控制系统拥有40路开关量控制能力,综合运用手动、时序和自动控制方式.测量系统拥有120路信号同步采集能力,具备故障诊断功能.测控系统软件使用LabVIEW开发,通用性良好.为增强控制可靠性,设计了面向工艺流程的试验面板,应用嵌入式控制,进行信号多级监测并引入紧急自动关机控制.为提高测量精度,对测量参数进行原位标定,提出了一种改进的干扰消除电路.该系统已多次成功应用于液体姿轨控火箭发动机地面试验,采用的设计方法有效地提高了测控系统的可靠性,测量精度和控制精度分别达到0.5%和0.1ms,能够充分满足多种类型的液体姿轨控火箭发动机对试验测控系统的要求.     

针对大气层外目标的双弹协同拦截中制导律设计

论文以大气层外弹道导弹目标为研究对象,考虑拦截弹中段发动机推力固定耗尽关机方式,针对多拦截弹拦截目标问题,提出一种基于零控脱靶量的双弹协同拦截中制导律。在基于零控脱靶量的中制导律的基拙上,以两枚拦截弹的预期拦截点作为协调变量,在两枚拦截弹在零控脱靶量满足末段制导要求情况下,调整两弹的预期拦截点使其一致。分析满足协同拦截的两枚拦截弹的中段初始条件,设计了相应的应对策略。该制导律具有通信负担低,鲁棒性较强的特点。仿真算例表明,所设计的双弹协同中制导律可以有效协调两枚拦截弹实现协同拦截。     

考虑目标安全性的最优协同拦截制导律研究

针对目标和其发射的拦截弹对来袭攻击弹进行协同拦截问题,设计了一种最优协同拦截制导律。建立描述目标、攻击弹和拦截弹三者相对运动关系的模型,引入零控脱靶量对模型进行降阶处理。考虑拦截弹对攻击弹的拦截精度、拦截末端时目标的安全性以及目标、拦截弹的控制能量问题,基于攻击弹-拦截弹零控脱靶量、攻击弹-拦截弹终端横向相对运动速度零控脱靶量、目标-攻击弹零控脱靶量以及目标和拦截弹的加速度,建立了性能指标函数,同时考虑目标和拦截弹加速度的有限性,基于极小值原理设计了最优协同拦截制导律。仿真结果表明,相比目标和拦截弹独立飞行的情况,采用协同拦截制导律,在考虑了目标安全性的前提下,机动性较弱的拦截弹能够以较平直的弹道成功拦截攻击弹。     

基于物理规划的拦截弹反设计优化方法

提出了基于物理规划的拦截弹反设计优化方法,建立了拦截弹多学科系统分析模型,依据文献报道的拦截弹技术参数,通过技术分析,将拦截弹作为"灰箱"系统处理,通过反设计优化研究,得到了合理的拦截弹性能参数.      

空间目标逆轨网捕拦截停泊轨道的优化设计

为了提高对空间目标的拦截成功率,可采用拦截器从停泊轨道转移进入拦截轨道逆轨网捕拦截的方式。利用椭圆弹道理论,讨论和分析了该拦截方式停泊轨道优化问题的描述、模型的建立及优化的方法。计算结果表明,对该拦截方式所建立的模型和采用的优化方法满足逆轨拦截对轨道设计的要求,可为空间快速拦截应用提供理论借鉴和参考。     

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化设计研究

为了在设计阶段提升带直二元喷管涡扇发动机的总体性能,本文开展了基于直二元喷管形面优化的涡扇发动机参数优化的研究。首先,建立了带直二元喷管的涡扇发动机模型,提出了发动机正后向排气系统红外辐射特征的计算方法,分析了直二元喷管尺寸对发动机性能参数的影响;其次,提出了基于序列二次规划算法的设计参数多目标优化方法,优化的目标包括高单位推力、低油耗和低红外辐射强度;最后,基于以上模型,利用序列二次规划算法对在设计点非加力情况下的涡扇发动机设计参数进行多目标优化。仿真结果表明：在设计点上,相较于不带直二元喷管的涡扇发动机,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的红外性能,并且通过算法优化后,带直二元喷管的涡扇发动机具有更好的性能参数。     

直接力与气动力复合控制拦截弹轨迹控制

研究了直接力与气动力复合控制拦截弹的轨迹控制问题.建立了复合控制拦截弹的动力学模型,分析了不同复合方式的差别,指出了直接力对弹体运动的影响.建立了拦截弹与目标的相对运动模型,针对直接力与气动力复合控制的特殊性,基于滑模控制理论给出了轨迹控制算法,并在此基础上针对传统控制方法的缺陷,设计了脉冲发动机的点火逻辑.仿真结果表明,该方法能有效的实现拦截弹在末制导段的精确制导控制,并具有较强的鲁棒性.      

考虑多工况性能可靠性的航空发动机循环设计方法

为实现航空发动机总体性能设计方法由传统的确定性设计向不确定性概率设计转变，提出基于分布式协同响应面法思想的航空发动机多工况性能可靠性循环优化设计方法:建立了引入非确定性部件性能的航空发动机性能仿真模型，通过试验设计、非设计点性能仿真试验等步骤，构建了各典型工况下发动机推力与耗油率性能可靠度关于设计点循环参数的分布式响应面模型，并以此构建多工况性能协同响应面模型进行循环参数优化设计，最终获得循环参数非劣解集并通过随机试验进行验证。结果表明，通过多工况性能可靠性循环优化设计方法获得的循环参数非劣解集均能使发动机在多个典型工况下的总体性能同时达到不低于97.5%的高可靠度，为设计人员根据实际情况选取循环参数提供依据。      

多用途战斗机/涡扇发动机一体化循环参数优化

 针对多用途战斗机的特点,发展了基于飞/发一体化的涡扇发动机循环参数优化设计模型和相应的计算程序,优化设计模型中包括双变量控制涡扇发动机特性计算模型、进排气系统安装特性计算模型、飞机气动特性分析模型、重量组成分析模型、任务剖面分析模型、约束分析与任务分析模型和优化计算模型等。重点研究了多用途战斗机约束边界的获得方法,利用多岛遗传算法和自适应模拟退火优化算法,分别对现役多用途战斗机、不加力超声速巡航多用途战斗机以及下一代先进多用途战斗机用涡扇发动机循环参数进行了优化计算,对计算结果进行了分析,获得了对多用途战斗机用涡扇发动机循环参数选择有指导意义的结论。     

基于遗传算法的涡扇发动机最大状态性能寻优

对某型涡扇发动机的最大非加力寻优模式进行分析,在满足该发动机各部件的物理约束条件下,采用遗传算法对其进行性能寻优,提高其最大剩余推力值.寻优过程由基于GAlib类库的遗传算法和该涡扇发动机非线性数学模型结合编程实现.在此基础上,对遗传算法的主要运行参数进行分析和优化.在地面状态下进行仿真,其剩余推力值与设计点相比提高了4.84%.研究结果表明:遗传算法作为一种有效的全局并行优化搜索工具,适合于像涡扇发动机最大非加力状态性能寻优这样大规模、高度非线性及无解析表达式的性能优化问题;通过对遗传算法运行参数的优化,能有效的提高寻优速度并减小计算量,提高运算效率.     

基于遗传算法的液体火箭发动机参数优化

建立了液体火箭发动机系统设计的仿真模型和多目标优化模型,采用组合优化策略和遗传算法,针对全流量补燃循环发动机,进行了不同设计变量和目标函数下发动机性能参数的优化,求得全局最优解.计算结果表明,遗传算法是解决该类问题的有效方法,可为其它类似发动机的优化提供一定的指导作用.      

三外涵变循环发动机推力性能优化计算及分析

提出了一种基于商用软件Isight的三外涵变循环发动机稳态性能优化方法,构建了优化设计平台,扩展了稳态性能计算程序的参数研究及优化功能。利用所建立的优化设计平台,开展了典型状态点的优化计算,并与传统设计方法进行了对比;以最大状态推力最优为目标,分析了不同工况、不同工作模式的发动机稳态性能。研究结果表明:基于Isight的优化平台能够显著提高三外涵变循环发动机稳态性能优化的精度和效率,快速获得发动机最优性能;当以最大状态推力最优为目标时,随着进气温度的增加,推力最优的工作模式依次为单外涵+第三外涵模式、单外涵模式、三外涵模式和双外涵模式。