Optimization of Flight Trajectories of a Spacecraft with Electric Propulsion Using the Gravitational Maneuver

Necessary conditions of optimality of the use of a gravitational maneuver during a flight are obtained, and a mathematical model for its study is proposed. With the help of the developed method of optimization of a trajectory of an interplanetary flight using a favorable gravitational maneuver, estimations of a spacecraft's transport capabilities are made for flights to Mercury and for the delivery of a solar probe into the near vicinity of the Sun.     

The Use of a Solar Electrojet Propulsion System for Jupiter Satellite Injection

The problem of optimization of the interplanetary trajectory of flight for a multistage spacecraft with high- and low-thrust engines into the Jupiter satellite orbit is considered. Low-thrust engines (stationary plasma engines) are used on a heliocentric flight segment. Their operation is maintained with electric power supply from solar batteries. The principal feasibility of the realization of such a project is shown, and estimations of the mass of a spacecraft placed into Jupiter's satellite orbit are presented.     

精确跟踪空间系统发展概况及对抗措施分析

美国导弹防御局将精确跟踪空间系统(PTSS)计划视为未来10年国土和地区防御中最大的提高,PTSS将提供来袭弹道导弹整个飞行弹道的火控跟踪数据,可直接引导武器系统发射拦截导弹,显著扩大了拦截弹的防御作战范围。在深入分析PTSS系统发展概况、功能特性的基础上,围绕BM突防需求,探讨了针对PTSS跟踪相机的对抗技术措施。     

Optimal Control of a Programmed Turn of a Spacecraft

A problem of optimal turn of a spacecraft is considered. The time of turn is minimized, as well as the functional having a meaning of the propellant consumption. An analytical solution to the problem stated is derived. It is demonstrated that the solution optimal in this sense belongs to a class of two-impulse controls, under which a spacecraft executes the turn along the trajectory of its free motion. The solution obtained in this paper differs from earlier available solutions considerably. The estimations of the propellant consumption for a realization of the programmed turn are made.     

Tether assisted near earth object diversion

Potential earth impact threats posed by asteroids have motivated researchers to find effective NEO diversion techniques. Several means to perturb the motion of an asteroid have been discussed in the literature. Attaching a long tether and ballast mass to the asteroid can effectively alter its trajectory. In this paper it is shown that by cutting the tether at an appropriate time the diversion can be enhanced. The instant of cutting the tether significantly affects the final orbit of the asteroid and thus the resulting deflection from the original path.     

航天飞机末端区域能量管理段航程设计研究

末端区域能量管理段的主要目的是控制航天飞机的动能和势能，并最终达到进场着陆段的初始要求，以保证最终成功着陆。制导系统通过能量、速度和侧向轨迹的控制，使航天飞机达到标准的能量状态。而航程设计是制导系统的基础，制导系统中控制指令的产生都依赖于航程预测，因此，设计预测航程对航天飞机顺利完成末区能量管理段的飞行至关重要。所采用的制导方法是将末端区域能量管理段划分为四个飞行段，即S形转弯段、捕获段、航向校准段及进场前飞行段。分别对四段进行了预测航程设计，并给出了仿真实例。仿真结果表明所设计的航程能够使航天飞机很好地完成末区能量管理段的飞行，具有较高的工程实现价值。     

电液伺服型并联式加注机器人运动轨迹跟踪控制

针对电液伺服型并联式加注机器人在实际任务中广泛存在的模型不确定和强外干扰问题,提出一种基于关节有限时间扰动估计(FTDO)的动力学解耦反步鲁棒控制策略。首先,将系统处理为一组受外部扰动关节子系统的集合,进而针对各关节通过设计两个有限时间扰动观测器实现了对关节中匹配与不匹配不确定性的有限时间同步精确估计和补偿。同时,基于系统的动力学解耦模型,通过设计反步鲁棒控制器保证了闭环系统的稳定性。最后,通过Lyapunov方法验证了闭环系统信号的有界性和关节跟踪误差的有限时间渐近收敛特性。试验结果表明,控制器在不同工况下均具有良好的轨迹跟踪性能和关节抗干扰能力,能够满足在实际加注任务中的应用需求 。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。     

基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划研究

针对新型升力式再入飞行器再入轨迹终端需满足多约束条件的情况,研究 了一种基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划方法。根据升力式再入特性和任务需要 ,将飞行器再入轨迹划分为初始下降段、准平衡滑翔段和终端匹配段,其中初始下降段和准 平衡滑翔段采用单参数迭代搜索法快速生成轨迹,终端匹配段则基于一种全局插值多项式来 离散化控制变量,并采用复形调优法对这一参数化最优问题进行非线性优化求解。仿真结果 表明,轨迹快速规划方法可以在半分钟内生成一条满足多终端约束的再入轨迹,并具 有较高的精度。该方法对于未来新型升力式再入飞行器具有很好的工程应用前景。
     

固推约束下的火星表面起飞上升制导律设计

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑角的控制实现对标称轨迹的跟踪。为减少上升段末端偏差对无动力滑行段与标称轨迹间误差的影响,提出了一种通过调整倾侧角改变上升器所受气动力进而控制飞行轨迹的技术路线,并设计了相应的滑模制导律。另外,兼顾固推发动机的能量管理需求,针对入轨段设计了Lambert制导策略,并参考标称控制量对其进行修正,使得上升器能够在控制能力有限的情况下完成较高精度的入轨。最后,通过典型场景火星表面起飞上升全过程数值仿真验证了所设计策略的有效性和鲁棒性。     

弹道学在运载火箭总体设计中的实践与展望

简要介绍了运载火箭弹道学的主要研究内容,从弹道设计的基本方法出发,着重分析了弹道设计对于运载火箭总体设计的重要影响。在回顾我国运载火箭弹道学发展历史的同时,对我国运载火箭弹道学的特点进行了系统总结。最后结合后续我国运载火箭发展的技术需求,对弹道学的未来发展进行展望,提出了若干重点研究方向。     

空间碎片软捕获姿轨控模型构建与仿真

为构建利用柔性机械臂捕获空间碎片的系统仿真模型,首先分析梳理空间碎片捕获典型任务流程,包括轨道转移、位置保持、路径规划、动量稳定控制等阶段;然后针对任务流程分别搭建基于Simu Link的路径规划、动量缓冲控制、姿态控制、动力学和轨道仿真等子系统;各个子系统之间以TCP/IP的方式进行数据交互,最终完成空间碎片软捕获任务姿轨控仿真系统的构建。     

碳粉燃料在火箭冲压发动机补燃室内燃烧特性的分析

采用概率密度函数(PDF)及确定轨道模型数值模拟一种环向进气的固体火箭冲压发动机补燃室气固两相流的掺混燃烧,考虑固体颗粒直径大小和补燃室长度对燃烧效率的影响。结果表明:增大固体颗粒直径,燃料的燃烧效率明显减小;增大补燃室长度,燃料的燃烧效率增大。     

某型号液体火箭发动机可靠性分析

基于逐步增加Ⅱ型截尾样本,讨论了某型号液体火箭发动机可靠性指标的Bayes估计及E-Bayes估计.在刻度平方误差损失函数下,给出了火箭发动机寿命分布参数、可靠度函数及失效率函数的Bayes估计及E-Bayes估计.最后运用Monte Carlo方法对各种估计的均方误差进行了模拟比较.结果表明,E-Bayes估计给出的估计精度高.     

翼伞系统雀降性能及控制研究

根据翼伞系统的动力学方程,建立六自由度运动模型。对翼伞系统雀降过程进行仿真,分析了操纵方式对雀降性能的影响。在归航过程中着陆阶段的特定情况下,针对航迹跟踪过程中产生的纵向偏差,设计PID控制器对偏差进行修正。仿真结果表明:所设计的控制器简单有效地消除了纵向的偏差,保证了雀降操纵的顺利实施。     

美军机载激光武器攻防对抗研究

机载激光武器(ABL)作为美国多层防御体系的重要组成部分,主要用来寻找、跟踪和击毁处于助推段的弹道导弹(BM).按照目前的发展计划,ABL一旦投入战场应用,将对BM的使用构成威胁.主要介绍了ABL系统组成及工作原理,分析了ABL反导作战过程、攻击能力及试验情况,最后探讨了反ABL的措施.     

Predictive guidance algorithms for maximal downrange maneuvrability with application to low-lift re-entry

The paper concerns the general problem of a bounded final state control of non-linear dynamic systems with reference to near-optimal predictive guidance for low lift-to-drag ratio re-entry vehicles. More specifically, it addresses deriving guidance strategies capable to provide a maximal downrange maneuvrability for a maximal remaining flight time. Such robust, “guaranteed”, or assured, guidance keeps the remaining range-to-go to be coincident with the center of instant attainability domain. The paper discusses the existing guaranteed guidance strategy, and presents more general approach that provides an on-board planning of the entry trajectory, thus giving future state and control profiles. As a consequence the proposed guidance law is able to satisfy not only specified terminal conditions but also typical inequality constraints such as the maximal load factor and heat load. Computer simulations show that the algorithm can generate the feasible trajectories with equal downrange margins, using simple two-parametric families of control functions.     

Optimal transfer from the lagrangian points

The transfer from the equilateral Lagrangian points of the Earth-Moon system is analysed. The final states of the velocity of the space vehicles and of the rotation velocity of the propulsion vector are assumed given. The trajectory which ensures the transfer in optimal time consists of three arcs. On this trajectory the rotation velocity of the direction of the propulsion has the extremal value or corresponds to the Lawden's tangent law. The use of the matching of the arcs together with transversality conditions and final conditions determines the constants of integration and the evolution time. The resulting parametric equations of the optimal trajectory are of integral form.