基于粒子群算法的固体运载火箭上升段弹道优化设计研究

应用粒子群优化算法研究了固体运载火箭上升段弹道优化设计问题。设计了固体运载 火箭上升段飞行程序,构建了固体运载火箭弹道优化设计问题的粒子群算法,通过控制参数 改进和引入函数拉伸策略,对算法进行了改进。仿真计算结果表明,粒子群优化算法能有效 解决固体运载火箭弹道优化设计问题,优化方案末助推级液体推进剂消耗比原方案减少11.1 ％,算法收敛速度快,需设置参数少,易于工程实现。可为固体运载火箭弹道优化设计 提供理论参考。
     

基于联立框架的轨迹优化算法

为了更好解决复杂多约束下的在线轨迹优化问题,研究了一种基于联立求解框架进行轨迹优化的算法。此方法是一种直接法,先利用有限元正交配置法将状态和控制变量同时离散化,然后使用内点算法对离散得到的非线性命题进行求解。从平衡解的精度和计算代价的角度出发,引入了针对内点算法的收敛深度控制策略来改进方法的快速收敛性。最后,以某航天器月面上升段最优入轨任务为算例,验证了算法的精度和快速收敛性。     

基于Gauss伪谱法的固体运载火箭上升段轨迹快速优化研究

研究Gauss伪谱法在多级固体运载火箭上升段轨迹快速优化设计中的应用。针对多
级固体运载火箭上升段轨迹优化的特点,研究了求解多阶段最优控制问题的Gauss伪谱法,
引入连接点概念处理间断点,设计了边界控制变量计算方法。为进一步提高轨迹优化速度,
设计了含初值生成器的Gauss伪谱法串行轨迹优化策略,实现了固体运载火箭上升段轨迹快
速优化。仿真结果表明,采用提出的优化方法优化一条上升段轨迹所用时间为2~3分钟,终
端约束和路径约束均得到很好满足,算法求解精度高,对初值依赖性小,设计的边界控制变
量计算方法可行。     

上面级直接入轨卫星的上升段温度控制及预示

为满足卫星在上升段持续时间长、外热流复杂、能源紧张等不利因素下的温度控制要求,需采取相应控温策略并进行预示。针对采用上面级"一箭双星"直接发射入轨的北斗三号中轨道导航卫星,进行了上升段期间的热分析并阐述了地面段和上升段的控温策略,通过仿真分析预示双星在上升段的温度变化,结合飞行数据,验证仿真分析的准确性以及控温策略的有效性,并获得星上各区域设备上升段的温度变化特性。结果表明:通过控制发射前整流罩内的初始温度以及采用延时指令开启相应区域固定功率加热器,上升段期间未开机设备均能保持缓慢的温度下降速率,所有星上设备温度均在要求的范围内。采取的控制策略对其他需保持较长时间低温储存状态的高轨航天器,以及深空探测器温控设计提供了一定参考。     

一种运载火箭上升段轨迹的高精度确定方法

针对运载火箭上升段轨迹建模问题,采用自由节点样条模型描述轨迹变化规律,将轨迹确定中的参数估计转化为对样条函数系数估计,从而大量减少待估参数个数,有效提高参数估计精度。在此基础上,提出利用遗传算法优选测量元素的方法。在基本遗传算法框架下,通过对测量元素进行染色体编码、构造基于加权排序的适应值函数以及设计改进的比例选择算子,对整个测量元素组合空间进行充分搜索寻优。利用典型上升段轨迹和布站对该方法进行数值仿真,结果表明,本文提出的新方法比现有方法的位置确定精度提高了92.0%~94.4%;在均采用自由节点样条模型进行融合轨迹确定时,新方法比典型测元融合解算的位置确定精度也提高了16.4%～88.6%。     

自备动力逃逸载人飞船上升段气动特性研究

自备动力逃逸技术是载人飞船重要的发展方向之一,能提升载人飞船发射段的安全性。文章对自备动力逃逸载人飞船上升段的气动特性开展研究,利用气动数值模拟方法对上升段逃逸全过程进行仿真,完成自逃逸上升段静态气动特性分析、两舱分离气动特性研究和上升段气动加热分析。研究结果表明:返回舱与推进舱能否安全分离受分离时刻的气动干扰影响较大,配置稳定翼在低空情况下可显著改善载人飞船的静稳定性。上述研究结果可为我国新一代载人飞船逃逸系统的方案设计提供参考。     

基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的空天飞行器实时轨迹优化

针对空天飞行器大气层内上升段实时轨迹优化问题，提出一种基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的轨迹优化方法。首先，应用Newton-Kantorovich迭代方法将轨迹优化问题转化为一系列的子问题，每个子问题都是一个线性最优控制问题；其次，针对Newton-Kantorovich迭代方法忽略运动方程中的高阶信息，导致难以收敛这一问题，提出Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法，在子问题的性能指标中加入邻近规则化项，改善了Newton-Kantorovich迭代方法的收敛性；最后，将子问题离散为二阶锥规划问题，并应用内点法进行求解。提出的Proximal-Newton-Kantorovich凸规划方法是一种求解非线性轨迹规划问题的可行途径。理论分析表明，Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法的收敛结果一定是轨迹优化问题的局部最优解。数值实验表明，此方法的计算时间在毫秒级。     

亚轨道飞行器上升段制导方法研究

为了更好地满足亚轨道飞行器的制导任务需求,基于亚轨道飞行器面对称的升力体外形,采用直线斜率形式的迎角变化规律,改进了现有的运载火箭制导方法。把直线斜率形式和指数形式的迎角变化规律对弹道的影响进行了对比。结果表明,直线斜率形式的迎角变化规律相对于指数形式的迎角变化规律具有转弯段时间可调性强、转弯效率高的优点,该项研究为相关领域研究提供了理论参考。     

航天器上升段轨道快速重构算法

针对航天器上升飞行过程中由于干扰的影响导致实际轨道偏离初始设计轨道的问题,提出了基于状态量提前修正的航天器上升段轨道快速重构算法。使用该算法对大气干扰下上升段轨道进行了快速重构仿真分析,结果表明,该算法能够综合考虑上升段飞行过程的状态量约束、终端约束、入轨精度、重构时间等因素,实现快速重构。     

高超声速飞行器上升段最优制导间接法研究

高超声速飞行器的机身－推进一体化设计使得气动和推进之间存在强非线性耦合,本文针对高超声速飞行器的特点,提出了求解最优上升轨迹的一种可行方案。在零侧滑角和力矩瞬间平衡假设下对上升段飞行问题进行最优建模,将质量引入为状态量,以最省燃料为指标,以推力方向为最优控制量,根据极大值原理推导一阶最优条件。为数值求解两点边值问题,以解析解作为初始猜想,应用经典的有限差分方法和改进的牛顿法,在满足攻角过程约束下,通过同伦算法迭代求解最优轨迹。仿真在给定的初始约束和终端约束下进行,结果表明该制导算法能够实现对高超声速飞行器上升轨迹的优化,以参考面积为同伦参数的迭代方法,能够保证算法的收敛性和快速性。