基于Gauss伪谱法的临近空间飞行器上升段轨迹优化

综合考虑密度变化、声速变化、发动机推力变化及地球引力等因素对飞行轨迹的影响,研究了与实际飞行环境更加相符的临近空间飞行器燃料最优爬升轨迹。针对该问题在气动数据处理和优化求解上存在的困难,提出一种基于Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method,GPM)的求解策略。首先,依据气动数据特点,设计拟合模型对气动参数进行高精度拟合;其次,为避免间接法和传统直接法的缺点,将Gauss伪谱法和序贯二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)相结合,对存在边值及加速度约束的轨迹优化问题进行求解,获得最优飞行轨迹。仿真结果表明,在更为真实的飞行环境下,利用GPM和SQP相结合的方法可在5.83s获得一条精度为10-4～10-6左右的飞行轨迹。

高超声速飞行器滑行航迹优化

针对高超声速飞行器滑行的密度模型、动力学模型、空气动力模型和作为输入的攻角,将弹道问题转化为最优控制问题,采用极大值原理求得航程最大的一阶必要条件,采用多次变区间的遗传算法、非线性单纯形法和邻近极值法的组合优化策略来求解此两点边值问题,首先用多次变区间的遗传算法和单纯形方法求得全局航程最大,然后用邻近极值法得到合适的初值满足所有终端约束,通过对一高超声速飞行器的算例进行了优化计算,得到了最优弹道和优化算法的收敛曲线,并与升阻比最大飞行方案进行比较可知,最优控制方案求得的航程大于升阻比最大飞行方案的航程.

基于Gauss伪谱方法的高超声速飞行器再入轨迹快速优化

基于一种求解最优控制问题的新方法—Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method-GPM),研究了高超声速飞行器滑翔式再入的快速轨迹优化问题。针对远程多约束条件下滑翔式再入轨迹优化问题的难点,提出了基于GPM的串行分段优化策略,包括三个方面:(1)构造了设计变量初值生成器,获得近似最优解作为优化初值;(2)提出从可行解到最优解的串行优化策略;(3)引入平衡滑翔条件构造动态分段点,将再入轨迹分为初始下降段和滑翔段分别求解。以某高超声速再入飞行器为对象进行轨迹优化计算,仿真结果验证了本文的轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。

高超声速飞行器再入段的动力学建模与仿真

高超声速飞行器的动力学建模对于进行控制系统的设计和仿真来说是非常重要的。与传统的飞行器相比,由于其飞行的速度和高度跨度大、变化快,高超声速飞行器的飞行动力学特性相当复杂。为了研究高超声速飞行器的一些本质的动力学特性,选择再入段进行分析,建立了再入段的高超声速动力学模型。利用风洞实验数据,建立了空气动力学数据库,并且对模型进行了不确定性分析。在模型的基础上,讨论了高超声速飞行器再入段的控制系统的设计方法。最后,在MATLAB/SIMULNK中进行了控制系统仿真,仿真结果表明在60公里到着陆点控制系统能够很好地控制动力学模型跟踪制导指令。

火星探测器降落伞拉直过程中的“绳帆”现象研究

针对火星探测器降落伞在拉直过程中出现的"绳帆"现象,以及火星探测器降落伞开伞前初始参数和大气密度与地球环境下的差异,建立了火星探测器降落伞拉直过程的数学模型,研究了火星环境下,伞包弹射速度、开伞前进入器的攻角、开伞马赫数以及大气密度对"绳帆"现象的影响。研究结果表明,选择较大的伞包弹射速度,并将开伞前进入器的攻角严格限定在较小范围内,将有利于避免或降低"绳帆"现象的发生。这一研究结果可为我国实施火星探测时减速着陆系统的设计分析提供一定参考。

基于大气预估的RLV再入预测制导研究

针对可重复使用飞行器(RLV)多约束再入制导特点,提出一种新的基于大气预估的再入制导方法.针对大气模型的不确定性,通过参数辨识技术确定当前大气参数.在此基础上,考虑可重复使用飞行器过载、动压和驻点热流等过程约束对倾侧角的限制,利用数值预测的方法实时预测RLV的落点确定制导偏差,形成倾侧角控制指令,完成再入轨道的在线设计.仿真结果表明,该方法能够适应多种再入条件,有效减小各种不确定因素的影响,保证再入终端落点的精度要求.

基于数字仿真的再入飞行器滚转异常边界条件研究

提出了一种基于数字仿真的再入弹头滚转异常边界条件的确定方法。即：首先给出可精确描述考虑各种气动力（矩）系数、各种干扰源作用时的六自由度运动方程。针对各种干扰源及其组合作用，对某弹头的滚转异常现象作了大量的数字仿真。文中采用一种拟合方法，妥善处理了这些仿真结果。

CZ-2F火箭整流罩残骸落点预报方法研究

为了快速搜索CZ-2F火箭整流罩残骸,研究了残骸坠落飞行规律和落点散布规律,建立了高空风修正的整流罩残骸落点预报模型,反推计算了以往任务整流罩残骸的特征面积,并按其分布规律分组计算了残骸坠落过程中出现的5类平均特征面积,依据出现概率将搜索范围缩小为5个32 km2的小区域,搜索面积减少了约90%。神舟十号任务中,整流罩残骸坠落于预报落区内,实际落点与预报落点间的距离小于2 km,增强了搜索工作的针对性,提高了搜索效率。

探月返回器降落伞减速系统设计及试验验证

针对探月返回器降落伞减速系统的任务特点,通过对返回器-降落伞系统的动力学特性分析,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统设计方案,实现了返回器开伞载荷、器伞系统稳定性等多因素的匹配性设计,通过仿真试验和空投试验验证了方案设计的合理性,最终通过月地高速再入返回任务飞行试验验证了降落伞减速系统性能的有效性。结果表明:降落伞减速系统工作性能稳定可靠,能够确保返回器的安全回收,可以保证后续月球采样返回任务的成功实施。

高超声速飞行器多段弹道优化设计

利用多学科设计优化方法求解了高超声速飞行器多段弹道整体性能最优问题。将高超声速飞行器在垂直平面的弹道分成多段,对引入段、滑行段、下降段进行了优化设计,期望引入段终端时刻速度最大、滑行段距离最远、下降段时间最短。把三段弹道当成三个学科,以攻角和各段的初始状态作为输入,以末端状态作为输出,计算各模块输出对输入的灵敏度,从而通过全局灵敏度方程计算出综合性能指标对各设计变量的全局灵敏度,在全局灵敏度方向进行寻优,找到最佳点,然后在最佳点再计算新的灵敏度,再在新的全局灵敏度方向寻优,如此反复直至找到最优解。文章结果显示此方法计算效率高于all-in-one方法。

固体火箭助推段终端多约束能量管理制导研究

针对高超声速飞行器投放任务要求,开展了固体火箭助推段终端多约束能量管理制导研究。根据三级固体火箭第三级飞行特点,提出一种基于纵向、侧向联合设计制导方法。纵向在高度-时间剖面内生成名义轨迹,并完成跟踪制导律设计,实现终端高度、当地弹道倾角和攻角约束。侧向采用两次反向的修正交变姿态控制能量管理(alternate attitude control energy management,AEM),并通过预测校正相关参数,提高速度控制精度,实现侧向位移收敛。仿真结果表明,本方法可实现不同终端约束制导任务需求,具有在线自适应能力。

基于神经网络动态优化的再入轨迹设计

为解决当飞行器出现破损以及飞行器受干扰时的轨迹优化问题,新一代的再入式飞行器需要有实时在线轨迹优化的能力。神经网络动态优化算法(neural dynamic optimization,NDO)的主要特点是能使神经网络逼近最优解。神经网络动态优化算法可以避免传统的间接法在求解轨迹优化问题时协态变量初值猜测问题。给出了神经网络动态优化的原理,详细介绍了优化流程。仿真结果表明神经网络动态优化算法可以很好的避免协态变量初值猜测问题,具有较强的鲁棒性,能满足实时性要求。

捷联导引头目标视线角速率重构方法研究

捷联导引头测量信息中耦合有弹体姿态信息不能直接被比例导引所用。实现了从捷联导引头和弹体角速率信息中重构出目标视线角速率,并运用四阶龙格库塔法建立离散模型,避免迭代发散。捷联导引头大的瞬时视场带来大的背景噪声,任何用于重构系统的测量信息噪声都会反映到重构出的目标视线角速率中去。针对系统模型参数噪声与状态噪声并存的问题,从模型中分离开参数和状态,设计了JointUKF和DualUKF提取目标视线信息,简化了系统噪声模型,降低滤波器对噪声标定不准确的敏感性。通过弹目拦截仿真验证了目标视线角速率重构方法的正确性,验证了采用离散方法的合理性,验证了设计的滤波器能有效提取目标视线角速率。

再入飞行器自动驾驶仪的自适应退步控制设计

自动驾驶仪设计的传统方法是基于分段线性化的增益规划法。近年来 ,以反馈线性化为基础的各种非线性控制技术得到了广泛的研究。文章基于一种不同于反馈线性化的退步控制思想 ,提出了一种新的非线性反馈自动驾驶仪设计方法。该方法考虑了系统输入的不确定性 ,采用了非线性在线优化方法保证舵偏与力矩之间更精确的映射 ,同时 ,通过引入自适应项以修正各种力矩偏差。利用这种方法 ,为再入飞行器设计了自动驾驶仪。仿真结果表明 ,提出的自适应退步控制方法是有效的 ,且设计过程简单 。

高超声速再入飞行器头部辐射加热特性研究

高超声速再入飞行器的热环境特性是热防护设计的重要基础。它主要包括辐射加热和对流加热,一般情况辐射加热较小可以忽略,但部分再入飞行器在低空还具有极高的速度,辐射加热不能忽略。本文针对高超声速再入飞行器驻点的辐射加热特性开展了研究,采用高温空气辐射加热的四光谱带模型,同时计算方法中考虑了非平衡辐射加热及其"截断效应"。计算结果表明,在低空高速再入阶段,辐射加热比较明显,热防护设计需要考虑辐射加热。辐射加热主要由可见连续光谱辐射构成,红外线谱和紫外线谱的辐射加热也比较明显,紫外连续谱辐射以及非平衡辐射效应均不明显。辐射加热沿球头驻点至球头外边缘逐渐减小,影响辐射加热的主要因素有头部半径、飞行高度和飞行速度。

反时敏目标机动再入飞行器滑翔制导方法

针对多约束条件下反时敏目标任务需求,开展了基于轴对称侧滑转弯(STT)控制的机动再入飞行器滑翔制导方法研究,提出一种纵向和侧向共同实施的在线自主制导方法。纵向通过高度-射程(H-R)剖面与高度-速度(H-V)剖面联合设计,在满足约束的可行域内快速生成一条参考轨迹,并根据目标变化实时修正,同时完成参考轨迹跟踪。侧向通过引入当前需用速度和目标位置变化信息,推导了闭环制导方法,实现速度控制与目标位置跟踪。仿真结果表明,本方法可兼顾轨迹生成快速性和响应目标位置变化,能够在满足过程约束与终端约束要求下完成制导任务。

再入弹头滚转共振概率估算

本文分析了滚转共振之机理和影响滚转共振之因素，收集了国外资料有关小不对称量的数据，确定了各参数的概率分布特性，提出了一种直观的再入弹头滚转共振概率估算方法，给出了算例。

飞船返回舱跨声速全局稳定性研究

根据国内外在飞船返回舱这类短钝飞行器的亚、跨声速风洞试验中都发现了极限环振动形态这一问题， 利用全局稳定性分析和数字仿真方法， 研究了返回舱在跨声速和高亚声速飞行时的动稳定性， 得到与风洞试验类似的结果， 即返回舱处于极限环振动形态。因此， 在返回舱再入亚、跨声速飞行段， 为保证飞行安全， 采用有效和可靠的姿态控制系统来控制和减缓动不稳定影响是必需的。

基于非线性规划的高超声速滑翔轨迹优化

研究了最大航程的无动力滑翔轨迹优化问题。为避免间接法的缺点,采用直接单重打靶法将轨迹优化问题转换为非线性规划问题,并利用非梯度优化算法和梯度优化算法相结合的混合优化策略得到最优轨迹。仿真结果表明,在采用更为真实的大气模型和动力学模型条件下,该方法具有较高的求解精度、收敛性以及鲁棒性,降低了初值要求;相对于最大升阻比轨迹,射程提高1.54%。

再入飞行器滚动时域轨迹混沌优化设计

针对传统轨迹优化方法计算量比较大需要离线实现,以及对于初值选取比较敏感等问题,提出了一种基于预测控制的临近空间再入飞行器滑翔轨迹设计的实时优化策略。该算法通过将全局非线性优化问题转换成有限时域内的一维变量滚动时域次优化问题,利用均匀采样结合混沌搜索策略,给出了过载、动压和热流等多种过程约束下的次优攻角计算策略。通过合理调整目标函数中不同物理量权重的比例关系,分别得到弹跳形式和平稳滑翔形式的轨迹特征。该算法可以在不提供初始猜测值的情况下在线实现,为几种不同的轨迹形式提供了统一的生成框架;得到的可行次优轨迹曲线还可作为非线性规划方法的初值进一步优化。数学仿真结果说明了该算法的有效性。