分离模块化航天器系统评估和优化设计研究

对分离模块化航天器系统评估和优化设计进行了研究。定义分离模块航天器的成本与价值,建立成本模型、价值模型和不确定性模型。考虑模块的物理约束、功能约束和用户需求对功能组件进行模块设计,并在发射运载能力内制定航天器的模块组合发射方案。按航天器生命周期流程对生命周期的模块研制、发射运载、在轨操控三个阶段中考虑不确定性因素影响的风险成本和功能模块的价值收益进行计算,得到分离模块航天器生命周期内的总成本、总价值收益和净现值(NPV)。用蒙特卡罗方法分析不同不确定性因素的分离模块航天器的成本与价值分布。设定优化目标和优化条件,用遗传算法优化分离模块航天器设计方案,提高分离模块航天器的投入产出比。     

基于分层人工鱼群的相干极化-DOA联合估计

智能优化算法是解决多维非线性优化问题、提高计算效率的有力工具。本文针对相干辐射源极化-空间角联合估计中计算量巨大的工程难题，以广义子空间拟合约束公式为代价函数，提出一种分层人工鱼群算法。该算法基于分层协同策略将鱼群分为底层和顶层，底层以人工鱼群算法进行全局搜索以保证种群多样性，顶层以粒子群算法进行局部搜索以加快收敛速度。仿真结果证明：分层人工鱼群算法能大幅降低广义子空间拟合的计算量，尤其是在较多目标的情况下。算法可有效提高计算效率，同时可提供优于传统人工鱼群算法的估计精度。     

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。     

基于碰撞检测的空间超大规模航天器拼接曲面优化

针对模块航天器在轨拼接曲面优化、曲率极值问题,提出了一种基于模块间隙约束的“球冠-平面”辅助映射法,该方法不仅可以规划模块航天器如何构成目标曲面,还可以获得该曲面的极值。该方法以正六棱柱模块航天器为单位模块,将模块按由“球冠-平面”映射的圈层排列张成目标球面,构建了拼接曲面的数学模型。鉴于工程上对机构调整有限导致的相邻模块间隙限制问题,在算法中引入了碰撞检测(DC)约束参数;通过遗传算法寻优,获得目标曲面布局的最优解。最后仿真表明:该算法可以有效获得曲面布局的最优解。     

分离模块航天器综合评估方法研究

以分离模块航天器概念设计阶段的方案评估分析为目标,提出一种基于数学建模和蒙特卡洛模拟的定量化评估分析方法框架。首先,定义了分离模块航天器生命周期状态及其转移过程,建立了状态转移概率矩阵,将生命周期不确定风险因素在状态转移过程中加以考虑;进而,基于系统状态模型建立了分离模块航天器生命周期成本和净收益计算模型;然后,以生命周期成本和净收益的均值和标准差作为评价指标,提出了基于蒙特卡洛模拟的综合评估仿真分析方法;最后,采用典型设计案例进行了分析与验证。     

上面级发射MEO轨道设计及运载能力优化研究

针对导航卫星中轨道（MEO）轨道提出一种上面级发射MEO轨道直接入轨设计方案,建立轨道动力学方程和轨道迭代计算模型。为优化轨道设计,将更多有效载荷送入轨道,从分析影响轨道运载能力的因素出发,应用成熟优化算法——自适应遗传算法,建立上面级发射MEO轨道优化模型,采用数值仿真方法验证设计结果和优化方法的有效性。结果表明发射轨道优化设计对运载能力有一定的提升效果,实现了最优化设计。     

基于序列近似优化算法的固体运载火箭弹道设计

采用打靶法研究固体运载火箭弹道优化设计问题。针对打靶法中智能优化算法效率、优化问题中约束条件提法等方面的不足,引入序列近似优化算法,提出算法中径向基函数高斯核宽度的高效确定方法。数值仿真实验表明,提出的方法可在基本不带来计算量增加的前提下,显著提高代理模型精度,使序列近似优化算法得到改进,提高优化效率。设计固体运载火箭飞行程序。建立弹道优化设计问题数学模型,并将模型中相关等式约束合理转化为不等式约束,降低优化问题求解难度;基于改进后的序列近似优化算法完成某固体运载火箭弹道优化,原始计算模型调用308次之后便搜索到最优解,较传统智能优化算法显著提高了优化效率,优化方案末助推级液体推进剂消耗比原方案减少25.7%。     

小型固体运载火箭运载能力分析

针对控制系统,采用姿控发动机和格栅舵的小型多级固体运载火箭开展了运载能力分析研究.给出了运载火箭飞行方案,提出了一种飞行程序角的工程设计方法.给出了姿控发动机工作模型,建立了六自由度弹道计算和优化模型,采用混合进化算法进行弹道优化,并给出了仿真算例.仿真计算及分析表明,小型多级固体运载火箭满足发射小卫星的运载能力要求,姿控发动机推进剂分配方案合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据.     

地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化

小推力转移轨道的设计与优化一直是深空探测轨道设计方面的难点。针对这些问题，提出了一种基于等高线图的初始发射机会搜索方法，该方法通过绘制探测器一火星距离的等高线图寻找满足任务约束的小推力转移轨道发射机会；同时，本文还给出了一种小推力轨道的直接优化算法，该算法通过将连续的控制变量参数化，把轨道优化问题转化为参数优化问题，然后基于所提搜索方法，采用逐次二次规划方法进行求解。数值计算验证了该发射机会初值猜测方法和优化算法的有效性。     

卫星星座组网过程的策略规划

卫星星座组网过程包括两方面研究内容：星座部署顺序和运载器选择。阐述了星座部署优化设计的思路,优化目的是使每次发射后星座性能得到最大限度的提升,比较了分别采用启发式进化优化算法和穷举法进行星座部署的区别,指出了对于常见的星座构型,用穷举法进行部署优化的效率较高。讨论了运载器优选的目标函数和约束条件,建立了优选的数学模型。运载器优选本质上是整数规划问题,本文介绍了求解整数规划问题的分支定界法。提出了我国部署中高度圆轨全球导航星座的算例,给出了该星座部署顺序设计和运载器优选的计算结果,结果表明本文提出的方法适用于卫星星座组网过程的策略规划。
     

可重复使用运载器的耐坠毁缓冲装置的设计优化

针对采用四腿式着陆支架的可重复使用运载器,提出一种油气-蜂窝两级缓冲的新型耐坠毁缓冲装置,常规油气缓冲器实现重复使用,危险工况下蜂窝缓冲器实现耐坠毁功能。建立了运载器着陆动力学模型,给出了运载器着陆的四种极限工况及铝蜂窝压溃载荷的求解方法,基于径向基(RBF)代理模型,采用多学科协同优化方法,对多工况下运载器两级缓冲装置设计参数进行了优化。结果表明,多学科协同优化方法有着较好的准确性,优化后运载器的最大过载和缓冲支柱载荷峰值均得到降低。最后,对比了单独油气缓冲器与两级耐坠毁缓冲装置下运载器的着陆响应,结果表明,使用两级耐坠毁缓冲装置在降低运载器最大着陆过载和缓冲支柱载荷峰值上有着较为明显的优势。     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求,阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等,归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上,结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标,梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术,分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后,对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

临近空间可变形滑翔飞行器轨迹优化与性能分析

针对临近空间滑翔飞行器的变形需求，提出一种具有较高环境适应性的伸缩式可变形滑翔飞行器(MGV)，建立了含有冗余控制变量的MGV轨迹优化模型，利用伪谱法量化分析了MGV在射程覆盖能力、规避绕飞能力和末段打击能力三方面的性能收益，得到了飞行过程中的最优控制律和最优变形律，可指导制定变形策略和设计变形控制系统，为滑翔飞行器的后续发展和变形飞行器的相关研究提供参考。     

空间低温杜瓦瓶凯夫拉支撑结构多约束优化设计

采用新型凯夫拉纤维作为某空间用小型低温杜瓦瓶的支撑材料，在验证其力学性能的基础上，设计了杜瓦瓶的支撑结构，建立了一种新的热力学耦合优化模型，给出支撑结构固有频率、热应力及发射环境下的约束条件，通过一种“离散点加密”新约束优化法计算出了支撑结构满足约束条件范围内的要求的最优设计参数。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标,以UltraFlex太阳电池阵为模型,采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量,进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现,结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增;梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大;当梁材料为碳纤维,斜梁位置为1100 mm,梁截面高度为20 mm时,展开过程稳定性最好;斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大;当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时,系统固有频率涨幅最大,由此带来的质量增加可以接受。     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹快速、高精度优化

针对高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题，提出一种基于稀疏差分法和网格细化技术的快速、高精度求解方法。该方法应用局部配点法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划(NLP)问题，从两方面提高轨迹优化的效率和精度。一方面，引入一种高效的稀疏差分法计算NLP的一阶偏导数，提高NLP的求解效率；另一方面，提出一种基于新型广义二分网格的网格细化算法调整离散节点的数量和分布，使得方法能够采用较少的节点数目取得较高的优化精度，从而减小NLP的规模和计算量。应用该方法求解了高超声速滑翔再入轨迹优化问题，仿真结果表明所述方法能够快速生成一条严格满足各种约束的最优三维再入轨迹。在此基础上，研究了滑翔飞行器的再入落点区范围，进一步检验了该方法的有效性。     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题,提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题,进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化,将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区,最终到达指定点。此外,本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性,并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标,同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求,提高了计算效率。仿真结果表明,本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

太阳系边际探测飞行任务规划

针对太阳系边际探测任务,开展了星际多目标飞越的任务规划,采用小推力混合优化设计方法完成了基于借力飞行及电推进技术的行星际转移轨道联合优化设计,对比研究了面向日球层鼻尖和尾部探测的星际多目标探测飞行方案。研究表明,探测器在2024-2025年发射,可飞抵日球层鼻尖区域,在2027-2030年发射可飞抵日球层尾部区域,并可在2049年1月1日前飞离日心100 AU,实现太阳系边际空间的科学探测。其中日球层鼻尖探测任务探测器飞抵100 AU的位置位于鼻尖中心区域,可与旅行者1号、2号探测器形成有效互补。文章所用任务规划方法,可为太阳系边际探测的自主任务规划技术提供基础,相关研究成果能够为未来中国首次太阳系边际探测任务的实施提供有价值的参考。     

空间机器人惯性参数辨识的粒子群优化新算法

提出了针对一类多自由度空间机器人卫星惯性参数在轨辨识的一种粒子群（PSO）优化新算法。通过粒子邻域限定的多样性保持、低效粒子随机重置和粒子误差的序列性评价,得到了比常规方法更好的结果,且具有无附加燃料消耗、线动量测量和特定的机器人路径规划等便利性优点。仿真算例表明,该改进方法具有较高的准确性与效率。