基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制研究

研究了基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制。将Drag-free卫星和其内部的验证质量等效为两颗内、外编队卫星并建立动力学方程,推导了基于卫星和验证质量的相对运动状态观测值反演大气阻力的算法。建立了状态最优调节器模型,采用动态规划求解经典的二次型最优控制。对低轨圆轨道Drag-free卫星的仿真计算结果表明方法的求解精度较高,计算消耗较小。     

三轴稳定飞行器姿态控制系统混合LQR-H_∞控制器设计

基于简化的三轴稳定飞行器运动模型设计了线性二次型(LQR)最优跟踪调节器。为消除系统模型的不确定性,由微分几何精确反馈线性化理论设计了LQR输出反馈补偿器;对系统的外加干扰,考虑H∞控制的混合灵敏度设计了混合LQR-H∞控制器。仿真结果表明:该设计方法不仅使姿态控制系统有良好的跟踪特性,而且具一定的抗干扰能力,系统鲁棒性较强。     

考虑燃料均衡的卫星编队队形重构技术

在卫星编队队形重构过程中,如何在实现编队整体燃料消耗较少的同时使得各子卫星燃料消耗均衡,能够有效地提高卫星编队整体的寿命。提出了一种基于虚拟中心位置可变的卫星编队队形重构新方法。该方法以虚拟中心位置为寻优变量,以首末脉冲时刻可优化的双脉冲规划作为单星轨道机动策略,将编队队形重构问题转化为混合0-1数学规划问题。仿真结果表明,该优化算法在实现整体燃料次优的同时,兼顾了各星当前的燃料剩余水平,实现了各子卫星的燃料均衡。     

无阀模式下液态燃料高频爆震燃烧组织方法

无阀工作模式摆脱了机械阀门作动频率的限制,已被证实可用于脉冲爆震燃烧的高频间歇式供给,但实现的最高爆震频率不高于150 Hz。为进一步探索基于液态燃料的高频爆震燃烧组织方法,以及该工作模式实现更高频率爆震燃烧的可行性,针对无隔离和有隔离两种工作方式,实验研究了以汽油为燃料的高频爆震燃烧稳定工作的可行性,并探索了填充压力、氧气体积分数和喷注条件对高频爆震波产生和传播特性的影响。结果表明,采用汽油在无阀无隔离和无阀有隔离工作方式下均可实现高频爆震燃烧,实现的最高频率分别为300 Hz和210 Hz;无隔离工作方式下,氧气体积分数为40%和50%时对应的稳定爆震当量比范围分别为0.90～1.49和0.74～1.82;有隔离工作方式下,稳定爆震当量比范围为0.95～1.61;无阀有隔离模式可有效降低连续缓燃的发生,高频爆震稳定工作时对应的等效氧气体积分数上限为58%。无阀模式下,实现高频爆震燃烧的关键在于形成有效的隔离区,贫氧或贫油混合物可替代传统的惰性介质作为隔离气体。     

考虑探测构形的多飞行器协同探测与制导一体化设计

针对多飞行器协同拦截机动目标时几何构形会影响协同探测和制导效果的问题,基于最优控制理论提出一种考虑探测构形的协同探测与制导一体化设计方法。基于飞行器相对运动学、动力学方程和双视线协同探测原理,建立了协同拦截模型。在制导设计中引入视线分离角参量以调制协同探测几何构形、减小相对距离探测误差,从而在制导全程增强协同探测效果。将相对距离协同探测结果应用到剩余时间和制导律解算中,基于最优控制理论实现协同探测与制导环节一体化设计。仿真结果表明：在目标进行不同程度机动的情况下,与修正比例导引律相比,所提方法在协同探测和制导方面均具有明显优势。     

空间交会对接的双脉冲最优控制

本文首先利用交会对接的固有动力学特性，施加第一脉冲推力使追踪器自动到达目标器位置；第二脉冲推力使两个飞行器相对速度降为零。本文根据双脉冲控制原理寻找燃料消耗最省的交会对接时间。最后通过大量数学仿真，比较各种初始条件下的交会对接动力学特性和燃料消耗。     

主辅拦截器协同制导方法研究

随着现代导弹技术的发展,导弹的突防能力越来越强,对导弹的防御难度也逐渐增大。为增强拦截器的杀伤力并降低成本,可利用主辅拦截器协同制导对目标进行拦截。建立了拦截器与目标的相对运动模型,通过对运动方程进行线性化分析,发现协同制导问题实质为具有终端时间限制条件的导引问题,该问题可转化为线性化系统的最优控制问题。利用最优控制中的极小值原理设计了时间协同制导律。仿真结果表明:该制导律可实现多枚拦截器在同一时刻拦截目标的协同制导要求。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

基于高斯伪谱法的翼伞系统复杂多约束轨迹规划

翼伞系统在实际环境中飞行时易受到风场以及地形环境等复杂干扰的影响,无法精确归航,控制难度较大。针对该问题,提出了一种针对复杂多约束条件的翼伞系统的最优控制轨迹规划方法,可同时实现翼伞系统在复杂环境下逆风对准、精确着陆以及控制量全局最优的控制目标。首先,建立了风场干扰下的翼伞系统模型;然后,通过引入地形环境曲面,将复杂环境转化为实时路径约束,将轨迹着陆偏差以及逆风雀降转化为终端约束,并考虑控制量消耗最小为目标函数,以此将复杂环境下的翼伞系统的轨迹优化转化为一系列非线性的带有复杂约束的最优控制问题;最后,采用高斯伪谱法将多约束最优控制问题转化为易于求解的非线性规划问题。通过设立3组复杂环境仿真实例和实验验证,表明本文方法使翼伞系统在多种较恶劣的复杂环境中有效应对多类约束条件,规划出控制量全局最优的可行轨迹。与已有的混沌粒子群优化算法相比,本文方法具有较好的最优性和较高的精度。     

超燃冲压发动机壁面热量的利用潜力分析

在高马赫数飞行下,用燃料冷却超燃冲压发动机壁面的冷却需求量大于发动机燃烧量。为了降低燃料的冷却量以及实现燃料冷却量和燃烧量的匹配,采用可用能分析法对超燃冲压发动机壁面热量的利用潜力进行分析。发动机壁面热量特性及燃料的冷却特性决定可用能大小。根据发动机壁面温度分布、热流密度分布及燃料的冷却过程温度分布计算可用能。该方法得出:在壁面最高温度为1200K时,传入壁面的热量为554.4k W,其中理论可用能为331.6k W。没有利用其热量实现热量转换时需要的燃料冷却流量为0.616kg/s,最大限度利用热量实现能量转换输出可用功时只需要燃料冷却流量为0.2476kg/s,降低了燃料的冷却需求量。