地球同步卫星发射轨道的设计

本文讨论了地球同步卫星发射轨道设计的一般问题。分析了发射轨道的形式、轨道选择与入轨条件的关系,以及俯仰角程序的选择,最后讨论了与发射轨道设计有关的一些问题,提出了运载火箭总体参数和轨道综合优化的概念。本文所提供的发射轨道设计方法适用于运载火箭方案设计使用。     

近地轨道运载火箭轨迹／总体参数一体化优化设计

在运载火箭概念设计阶段 ,总体参数的确定结合轨迹优化设计能最大程度地提高设计性能。从工程实际要求出发 ,建立了运载火箭轨迹 /总体参数一体化优化设计数学模型。确定了近地轨道的发射轨道优化设计方法 ,采用多重参数化法将轨迹最优控制问题转化为参数优化问题。针对一体化设计问题的求解要求提出了相应的组合优化算法。结果表明 ,经过一体化优化设计 ,衡量运载火箭性能的一个重要指标———起飞总质量减少了约3 5 %。该优化模型及其求解软件已经被成功地应用到工程设计中     

GEO卫星快速发射入轨定点控制方法

提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法,运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后,由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束,在选定变轨策略基础上,以燃料消耗最小为目标,优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动,基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法,控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明,采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律,可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。     

长征八号:长征火箭系列商业化与智慧化的先行者

"长征八号"(CZ-8)运载火箭充分继承了在役和新一代运载火箭的研制成果,以发射太阳同步轨道(700～1000 km)卫星为主,兼顾近地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)和地球同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit,GTO).CZ-8设计有组合型和融合型两种配置,可面向多种...     

新型运载火箭宇宙神-5

洛马公司的宇宙神 -5新型运载火箭定于 2 0 0 2年首次发射。它是为了满足政府和商业用户对于降低发射费用和将大量大中型有效载荷送入轨道的要求而研制的 ,其主要目的是减少再生成本、改进火箭及其发射支持操作的标准化程度、提高操作效率、增加运载能力、提高可靠性和可用性。洛马公司有几种宇宙神 -5运载火箭方案 ,这些运载火箭的地球静止转移轨道 ( GTO)的运载能力都在 50 0 0 kg以上 ,其中大推力的宇宙神 -5HLV的 GTO运载能力高达1 3 2 0 0 kg。1　宇宙神 -5运载火箭基本结构宇宙神 -5运载火箭包括 40 0系列和50 0系列两种 ,以及一…     

利用视加速度补偿和推力逐级释放的垂直着陆制导方法

针对运载火箭子级垂直返回着陆段的制导问题,本文在应用凸优化的滚动时域在线规划基础上研究了制导鲁棒性的改善策略。为应对着陆后期控制能力不足的情况,在滚动规划过程中引入了推力上界逐级释放的策略。同时,考虑缓解干扰和误差累积的影响,在制导周期内引入视加速度信息对在线规划的推力指令进行补偿,以进一步改善滚动规划的递归可行性。最后,通过数值算例仿真及对比分析验证所提出的补偿策略的有效性。     

垂直返回重复使用运载火箭弹道特性分析和优化设计

针对重复使用弹道设计中上升段弹道与返回段弹道之间相互耦合的问题,本文提出一种简化总体弹道优化设计的方法,首先根据影响返回段设计的一子级射程关键约束,进行上升段的弹道设计,经分析在同样的一子级射程约束情况下,上升段存在两组分离点参数,其次分析了在不同的分离点情况下,上升段和返回段在前场和原场两种返回模式下的运载能力损失情况,并对相关弹道特性进行了分析,得出在前场返回情况下优选低弹道方案,原场返回情况下,优选高弹道方案,该结果可为垂直返回重复使用运载火箭的弹道设计提供参考。     

基于约束可满足的深空探测任务规划方法研究

基于传统的CSP算法不能充分体现规划过程的特点,讨论了如何将规划中的动作关系映射到CSP结构中,并据此提出了一种以动作为中心的启发式变量选择策略;分析验证了该方法能够显著降低传统CSP变量搜索策略的时间复杂度,同时对于约束编码的规划问题具有一般适用性。仿真实验表明,本文提出的方法减少了约束处理中的冗余操作,有效提高了问题的求解效率,为工程应用奠定了基础。     

长征五号将于下半年首次试飞

正目前长征五号运载火箭已进入发射前的冲刺阶段,各项准备工作有序进行,按计划将于今年下半年进行首次飞行试验。长征五号运载火箭是我国正在研制的新一代大型两级低温液体捆绑式运载火箭,火箭芯级直径为五米,起飞质量约869吨,具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。长征五号也     

日本的H-1火箭

1986年8月13日,日本发射了第一枚H-1运载火箭。这次在种子岛航天中心的发射并不能充分显示 H-1火箭的运载能力。因为它最终将是一枚三级运载火箭,而这次试飞的只是两级火箭。它的第三级 M-3S2固体发动机正在日产公司进行最后阶段的研制,将于1987年发射 Assro-C x 射线天文卫星时投入使用。最终的 H-1三级运载火箭应能把550公斤有效载荷射入地球静止轨道,相当于     

基于混合法的月球软着陆轨迹优化

利用混合法思想和人工免疫算法研究了月球软着陆轨迹优化问题.首先建立月球软着陆系统模型并进行归一化处理;然后基于混合法思想利用庞特亚金（Pontryagin）极大值原理推导最优控制律,以伴随变量初值和终端时刻作为优化变量,将终端约束作为罚函数引入评价函数中,将月球软着陆轨迹优化问题转化为非线性规划问题（NLP,Nonlinear Programming）;最后应用引导人工免疫算法（GAIA,Guiding Artificial Immune Algorithm）求解该优化问题.仿真结果表明,GAIA混合算法比直接法的寻优速度快,终端误差小,且可搜索到理论最优轨迹;同时,GAIA混合算法的伴随变量初值收敛范围比间接法大,降低了最优月球软着陆轨迹的搜索难度.     

Optimization design of satellite separation systems based on Multi-Island Genetic Algorithm

The separation systems are crucial for the launch of satellites. With respect to the existing design issues of satellite separation systems, an optimization design approach based on Multi-Island Genetic Algorithm is proposed, and a hierarchical optimization of system mass and separation angular velocity is designed. Multi-Island Genetic Algorithm is studied for the problem and the optimization parameters are discussed. Dynamic analysis of ADAMS used to validate the designs is integrated with iSIGHT. Then the optimization method is employed for a typical problem using the helical compression spring mechanism, and the corresponding objective functions are derived. It turns out that the mass of compression spring catapult is decreased by 30.7% after optimization and the angular velocity can be minimized considering spring stiffness errors. Moreover, ground tests and on-orbit flight indicate that the error of separation speed is controlled within 1% and the angular velocity is reduced by nearly 90%, which proves the design result and the optimization approach.     

多级固体运载火箭分级多学科设计优化

为了解决固体运载火箭总体优化过程中学科耦合性强、计算复杂、设计效率低等问题,建立了多级固体运载火箭的几何外形、质量、气动、推进、弹道/制导等学科模型,将多级运载火箭分成若干个子级火箭,并通过级间飞行状态连续性条件连接到一起,形成系统级和子系统级的框架。设计了并行方式和串行方式2种子系统的优化流程,以起飞总重最小为目标进行了多学科设计优化(MDO)。结果显示,这2种分级优化的方法与多学科可行(MDF)方法相比能减小优化过程中的迭代次数,得到更好的优化结果,从而验证了分级优化方法在多级固体运载火箭MDO的可行性与优越性。      

变构型多操纵面RLV进场着陆轨迹优化设计

针对变构型多操纵面可重复使用飞行器(RLV)的进场着陆问题,提出了一种进场着陆轨迹设计方法.将进场着陆轨迹分为深下滑着陆轨迹和拉平着陆轨迹;考虑了气动舵面可操纵偏转限制及深下滑拟平衡约束条件,对深下滑着陆轨迹进行了优化设计;考虑了RLV气动舵面调节余量和构型变化过程,以起落架放下时间、拉平法向过载及接地状态为约束,基于RLV动力学方程,采用轨迹推演的方法对拉平着陆轨迹进行了优化设计.深下滑着陆轨迹和拉平着陆轨迹组成完整的进场着陆轨迹,所设计的着陆轨迹综合考虑了多种约束条件,提高了着陆过程平稳性和安全性.      

Two-level optimization approach for Mars orbital long-duration,large non-coplanar rendezvous phasing maneuvers

A relative dynamics equation-set based on orbital element differences with J₂ effects is derived, based on which a two-level approach is proposed to optimize the Mars orbital rendezvous phasing with a large difference in the initial ascending node. The up-level problem uses the revolution deviation between the target spacecraft and the chaser as the design variable, and employs a linear search to find the optimum. The low-level problem uses the maneuver revolutions, locations, and impulses as the design variables, and is solved using a hybrid genetic algorithm combined with sequential quadratic programming. To improve the solution accuracy, an iteration method is developed to satisfy the terminal constraints of the absolute numerical integration trajectory. Test cases involving Mars sample return missions with large initial node differences are presented, which show that the relative dynamics, two-level optimization model, and hybrid optimization algorithm are efficient and robust. Compared with previously published results, the total velocity increment has been further reduced by utilizing this proposed approach. It is found that a five-impulse plan requires the least quantity of propellant, and a propellant-optimal minimum rendezvous duration exists for this long-duration, large non-coplanar rendezvous problem.     

Hierarchical approach for fast searching optimal launch opportunity in a wide range

Launch opportunity search is crucial for preliminary design of interplanetary trajectories. However, it is difficult to obtain the optimum solution efficiently when the range of search is wide. In this paper, a new fast search algorithm based on a modified hierarchical approach is proposed. At the top level, a simplified Pork-Chop diagram is plotted by sampling interpolation to delimit the candidate regions of the optimal solution. Each candidate region contains only one optimal solution, which fundamentally avoids the local optimal problem of genetic algorithms. At the bottom level, a hybrid optimization approach combining the genetic algorithm and the conjugate directions method is used to solve the accurate optimal solution of each candidate region and obtain the global optimal launch opportunity in the whole wide range of search. Simulation results show that the proposed hierarchical approach can quickly and robustly find the global optimal launch opportunity in a wide search space.     

飞机总体协同优化中的一种混合混沌算法

针对协同优化应用中所碰到的计算困难,分析了现有改进方式。将系统级优化转化成无约束优化问题,选择智能优化算法是一种有效的解决方法,但应注意计算量的控制.将混沌优化和单纯形法相结合,构造出一种混合混沌算法.混沌能有效地跳出局部最优解而接近全局最优点,同时利用单纯形法在混沌优化解的邻域内局部寻优.用协同优化方法对某型干线客机进行总体方案设计;同时各学科级采用序列二次规划法,系统级采用混合算法寻优.计算结果表明此方法是有效的.      

基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。数学仿真结果显示:优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。     

基于高斯伪谱法的空天飞机上升段最优轨迹设计

针对复杂多约束条件下空天飞机上升段燃料最优轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法的上升段轨迹优化策略.依据发动机的推力特性将上升轨迹合理分段,使原最优控制问题转化为多段最优控制问题后,采用高斯伪谱法进行并行优化计算.数值仿真结果表明采用这种轨迹优化策略能够满足组合动力系统工作模态转换时对飞行状态的约束条件,可以在较短的时间内完成高精度的上升段轨迹优化任务,从而验证了该方法的有效性.