混合法求解考虑路径约束的持续推力快速机动轨道

近地空间航天器快速机动问题中一个必须考虑的现实约束就是机动轨迹不得低于大气层高度,为此给出考虑路径约束的持续推力快速机动问题的处理方法.通过在性能泛函中加入关于路径约束的惩罚项,使原本不再适用的最优控制理论仍然适用,进而可通过混合法完成问题的求解;同时保证了新问题的最优解为原问题的满足路径约束的近似最优解.最后通过数值仿真的结果验证了方法的有效性.     

具有内点状态约束的机动再入弹道优化设计

高级机动弹头末制导装置开始工作时对弹头飞行速度和姿态有一定的要求。这就增加了内点约束,从而使机动再入弹道设计问题成为具有内点约束和终端约束更复杂的最优控制问题。利用遗传算法求解该问题,用多段插值方法进行染色体设计,设计了基于模拟退火思想的罚函数和适应度函数来处理各种约束。仿真结果表明,所设计的遗传算法效率高,对初值不敏感,能搜索到全局最优解。所设计的再入机动弹道能满足机动弹头对姿态、热流和速度的要求。     

滑翔式远程导弹滑翔段弹道研究

滑翔式远程导弹的滑翔弹道选择对其航程影响极为显著。论文主要研究滑翔段轨迹特性 及最大滑翔航程弹道的参数近似计算方法。提出了最大升阻比条件下的平衡滑翔弹道是航程 较优的弹道的观点,并对这一观点进行了证明;进而给出了最大升阻比平衡滑翔条件下的主 要参数间的解析关系式。仿真计算表明给出的滑翔段参数解析关系式精度较高,能用于最大 航程弹道的参数近似计算。     

基于权衡空间探索的多约束弹道初值确定方法

运载火箭弹道设计对初值的选取敏感,需要设计人员具备相应经验,新构型或新任务下迭代设计易发散,设计过程依靠人员手动调整,效率较低。应用权衡空间探索及全局优化思想,给出了多约束弹道设计初值确定方法,并在此基础上重新建立了弹道设计流程,自动完成初值选取及精确设计,降低了设计过程对人员经验的依赖性,提升了弹道设计方法的智能化程度,提高了论证及设计效率。     

固体运载火箭上升段弹道快速设计方法研究

针对机动发射固体运载火箭开展上升段弹道快速设计方法研究。设计了固体运载火箭 上升段飞行程序,应用修正牛顿迭代法求解上升段弹道控制参数,推导了迭代算法公式。针 对牛顿迭代法收敛精度和速度受初值影响的问题,基于数据插值和拟合方法,研究了迭代初 值生成技术。仿真结果表明,设计的求解算法可以实现固体运载火箭上升段弹道快速生成, 收敛精度满足设计要求。
     

基于多目标多学科设计优化方法的再入弹道设计研究

为了研究多目标多学科弹道优化设计,提出了一种基于NSGA-Ⅱ算法的并发多目标协作优化MDO方法MOPCO(Multi-Objective Pareto collaboration Optimization,简称MOPCO).利用系统优化器和学科级优化器的并发性来分解多目标MDO优化问题,解决组织复杂性问题;利用自适应响应面技术来解决计算复杂性问题;利用NSGA-Ⅱ算法来搜索Pareto前沿.标准算例测试表明该算法是可行的.最后将其用于静态/动态混合优化的多目标多学科再入弹道设计,获得了合理的Pareto前沿.     

覆盖时间约束的快速响应连续覆盖轨道设计

面对要求目标信息不断更新的空间快速响应任务,针对每天存在一段和两段覆盖时间的两种连续覆盖轨道,通过覆盖时间分析,选定了单次连续覆盖时间更长的每天存在一段覆盖时间的连续覆盖轨道作为研究对象。基于轨道动力学和球面几何原理,结合火箭发射段固定飞行地心角和飞行时间,构建了连续覆盖轨道设计模型。考虑连续覆盖时间约束,将连续覆盖轨道设计问题转化为以轨道参数、切点坐标和卫星覆盖区地心锥半角为变量,以连续覆盖时间为优化目标的单目标优化问题。针对具体算例,通过该方法得到了轨道参数等规划要素,同时通过STK仿真验证了规划结果的正确性和有效性,可为空间快速响应连续覆盖轨道设计提供理论基础。     

持续推力时间最优轨道机动问题的改进鲁棒算法

针对采用持续推力进行轨道机动的时间最优问题,研究了一种用于估计两点边值问题初始值的有效方法--鲁棒算法（Robust Algorithm) 。指出了该算法在用于求解最优轨道机动问题时对于部分边值条件无法收敛的缺陷,针对此缺陷,提出了以误差修正为理论基础的改进方法。该方法在弥补原鲁棒算法缺陷的基础上,继承了其能有效逼近协态变量初始值的优点。二维和三维算例仿真的结果表明与其它方法相比,本文所提出的改进鲁棒算法收敛速度更快,更有效。     

带有时间约束的再入滑翔轨迹设计

为了满足飞行器协同飞行任务需求,本文研究了带有时间约束的再入滑翔轨迹设计方法。首先,建立了合理假设条件下的再入滑翔运动模型,并且提出了一种再入滑翔轨迹分段方法。其次,针对不同飞行段特点及任务需求,分别设计了各段导引律。其中,重点推导了滑翔段飞行剩余时间和剩余航程的解析解,将剩余飞行时间与末制导交班点速度建立对应关系,运用解析预测-校正思想,通过在时间调整段和能量调整段调节倾侧角翻转时机和幅值,同时满足末端能量和时间约束。最后,通过理论分析与仿真校验说明了本方法的有效性及鲁棒性。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

地月低能转移轨道设计方法研究

研究地月低能转移轨道的设计方法。这种低能转移轨道利用了弱稳定边界理论，通过太阳的引力摄动，使得探测器能够不经过减速就被月球俘获。与经典的霍曼转移相比，低能转移轨道呵节省约140m／s的速度脉冲。由于设计是基于叫体问题模型进行的，问题具有很强的非线性特性，寻找满足约束条件的转移轨道变得非常困难。常用的两点边值问题的解法在这里都失效。本文在研究地月低能转移轨道特忡的基础上，对一般地月转移轨道搜索的变步长爬山法进行改进，用来设计地月低能转移轨道。仿真结果验证了该方法的有效性。     

带有控制变量变化率约束的伪谱轨迹优化方法

基于伪谱法提出一种能够求解带有控制变量变化率约束的轨迹优化方法。首先,应用伪谱法将轨迹优化转化为非线性规划;其次,引入有限差分法将控制量变化率约束转化为相邻离散点处控制量的线性约束;然后,应用非线性规划算法求解带有线性约束的非线性规划;最后,采用带有控制量变化率约束的轨迹优化问题对方法进行了验证。仿真结果表明,此方法能够快速求解带有控制量变化率约束的轨迹优化问题,与引入控制量导数作为虚拟控制量的传统控制量变化率约束处理方法相比,此方法计算量更小,并且避免了虚拟控制量振荡问题,更容易收敛,综合效果是能够将优化耗时减少大约80%。     

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型.针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法.利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果.最后以2018 ～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计.数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值.     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器,提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量,根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解,避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。     

考虑轨道摄动影响的多冲量交会规划方法研究

当交会时间较长时需要在轨道规划中考虑摄动的影响,本文基于虚拟瞄准点的思想,研究了考虑轨道摄动情况下的固定时间拦截问题求解方法,并提出了考虑轨道摄动影响的多冲量交会规划方法.通过仿真算例验证了算法的有效性,并对基于二体模型和考虑摄动的规划结果进行了对比.     

带配平翼月球返回舱跳跃再入轨迹优化设计

为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对动压约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低返回舱再入过程中的动压。
     

风场综合利用的新型平流层浮空器轨迹设计

针对平流层底部准零风层特点,提出一种基于风场综合利用进行长时区域驻空的新型平流层浮空器,系统采用南瓜形超压气球体制,建立系统的浮重模型、推阻模型和能源模型,利用迭代算法完成了总体方案设计。在此基础上,建立动力学模型和高度调控模型,针对我国某地风场模型,设计东西、南北方向独立控制区域驻留策略以及基于风场综合利用的协同控制区域驻留策略,通过SIMULINK模块开展区域驻留仿真,并对五种控制模式下的飞行轨迹进行对比分析。     

基于普适变量法的火星探测器轨道初步设计及仿真

对基于普适变量的火星探测器轨道初步设计进行了研究。设计了地火转移轨道段、地球逃逸轨道段,以及基于B平面法的中途修正方法。绘制了2013年火星探测发射和到达能量等高图,将得到地火转移轨道的初始参数输入STK软件获得了空间真实摄动环境中的火星探测轨道。