基于序列凸优化的带动力飞行器再入轨迹优化

对序列凸优化方法在带动力飞行器再入轨迹优化中的应用进行了研究。首先,针对原始优化问题中控制量高度耦合且非线性的问题,通过引入新的控制量并建立与原始控制量的映射关系,得到关于控制量为线性的状态方程。其次,对原始优化问题中的非线性动力学方程、性能指标、过程约束与控制量约束进行松弛和线性化处理,通过附加状态变量的信赖域约束,并在性能指标中加入速度方位角的积分项以保证松弛和线性化的合理性。进一步,通过离散技术,将原始问题转化为一个凸优化问题。最后,通过数值仿真进行了算法验证。结果表明,本文算法对于带动力再入轨迹优化问题具有较高的求解精度,序列凸优化求解结果满足原始非线性约束,在一定精度范围内优化解可以作为原始问题的可行解。

深空再入飞行器烧蚀粗糙表面高超声速转捩预测

深空再入飞行器为提高气动减速效率,一般采用大钝度迎风外形以及烧蚀降热型防热结构。而扁平的前体外形与气动加热烧蚀导致表面粗糙度急剧增加等因素,极易造成飞行器迎风面流动失稳,流动出现转捩甚至演化为湍流,使表面热流分布发生巨大变化,给飞行器安全带来极大挑战。国内以往对大钝头再入器微观形貌变化下高超声速边界层失稳机制和转捩模拟的研究开展很少。以大钝头防热罩与沙粒式分布粗糙元为研究对象,分别利用基于高超声速与粗糙元修正的γ-Reθ转捩模式和k-ω-γ转捩模式,分析了高超声速来流条件下分布粗糙元等效粗糙高度、来流Reynolds数、攻角以及化学非平衡基本流对大钝头迎风表面的间歇因子分布和边界层转捩位置以及热流分布的影响,研究了深空再入飞行器烧蚀粗糙表面的高超声速边界层转捩发展规律与气动热影响规律。

基于改进预测校正的时间协同再入制导方法

针对高超声速飞行器再入滑翔过程的时间协同问题,提出一种基于开环式协同结构的时间协同预测校正制导律。所提制导律不依赖于各飞行器之间的实时通信,通过预先设置期望飞行时间进行协同信息共享。纵向制导律在传统预测校正的基础上进行改进,引入归一化加权误差,同时考虑剩余航程误差与剩余飞行时间误差,采用全弹道积分预测剩余航程和剩余飞行时间,每个制导周期通过牛顿迭代法求解倾侧角幅值,完成兼顾时间协同和空间精度的纵向制导过程。仿真实例表明:通过选择合适的加权误差系数,所提制导律可实现对再入飞行时间的有效调节,导引多飞行器在期望飞行时间到达指定再入交班点。蒙特卡罗仿真验证了所提制导律的鲁棒性。

多禁飞区在线遭遇的自主规避再入制导方法

针对高超声速滑翔飞行器再入过程中遭遇多个未知威胁的规避突防需求,提出了一种多禁飞区在线遭遇的自主规避再入制导方法。将多个在线遭遇的禁飞区连续规避问题抽象为序贯决策问题,设计了一种基于强化学习的解决方案以提高飞行器的自主规避能力。充分考虑强化学习智能体的泛化能力和训练效率,建立了禁飞区规避问题的马尔科夫决策过程。在此基础上,设计基于模糊控制策略的多智能体协调决策方法,为每一个在线遭遇的禁飞区分配航向决策智能体进行独立航向决策,根据实时环境评估各禁飞区的威胁程度并协调生成航向指令。理论分析和数值仿真表明,此方法能够使飞行器在满足终端约束和过程约束条件下,在多个在线遭遇的禁飞区场景中实现有效规避,具有良好的鲁棒性和泛化能力。

基于新特征参数的再入滑翔飞行器机动模式智能辨识

再入滑翔飞行器的机动模式辨识问题是拦截方实现对其轨迹预测的关键。提出了一组与飞行器轨迹机动特点贴合的特征参数,根据构建的RGV机动模式轨迹库,搭建了LSTM深度学习神经网络,实现了对RGV机动模式的智能辨识。与传统模式辨识方法和其他典型特征参数的辨识网络进行对比,结果显示文中所提特征参数在LSTM机动模式辨识网络训练中具有收敛速度快、辨识精度高和鲁棒性好的特点。

基于神经网络的再入飞行器可达域生成方法

针对再入飞行器可达域计算实时性需求,提出了一种换极坐标系下的神经网络模型求解方案。参数化设计飞行倾侧角和攻角剖面,在换极坐标系下构建弹道落点快速预示神经网络模型,提高神经网络模型任务适应能力,采用贝叶斯正则化方法训练模型获得网络权重。基于弹道落点快速预示模型快速获得落点集,采用直线边界和椭圆边界近似方法拟合获得再入飞行器可达域。仿真结果验证表明本文提出的方法实时性和适应性强,能够满足在线任务规划的需求。

一类不确定环境下的再入滑翔飞行器轨迹规划

再入飞行器的飞行过程需要跨越从临近空间到地面的广大区域。在此过程中,即便是微小的建模误差和外界扰动也有可能导致飞行器偏离原先目标点或超出约束边界。为使结果更加鲁棒,对一类不确定环境下的再入飞行器轨迹规划方法进行研究,并引入了数据驱动鲁棒优化的概念以处理不确定性,提出一种数据驱动鲁棒优化轨迹规划方法。所提方法的核心思想是利用不确定参数的历史数据,动态构造不确定集合,再用鲁棒优化的方法对包含该集合的问题进行求解。所提方法相比于传统的鲁棒优化或机会约束优化有两大优势:一是无须有关不确定参数分布或范围的先验知识,也无须其符合特定形式;二是通过在线构造数据驱动的支持向量簇,令优化结果不至于过于保守。为提高计算效率,根据再入优化问题的特点进一步对所提方法进行定制。给出了所提方法数值仿真结果与传统方法对比,以说明所提方法的有效性。

具有对称斜装动量轮的再入体动力学分析与姿态鲁棒控制

[目的]针对动量轮再入体姿态控制中存在转矩控制不足的问题进行研究.[方法]提出一种均匀对称斜装的动量轮布局,并利用拉格朗日第二类方程建立动量轮再入体的姿态动力学模型.基于动力学模型设计一种积分滑模综合控制策略,该策略考虑输入饱和对系统的影响,利用非线性扰动观测器对系统的不确定项进行估计.[结果]仿真与再入体模拟实验显示:在同样的控制需求下,本文提出的对称斜装动量轮布局所提供的最大转矩输出相较于传统正交的动量轮布局下降了60%.在引入输入饱和补偿的控制器作用下,控制输入可以更快地脱离饱和状态,再入体在4 s内稳定跟踪期望信号,稳定跟踪误差小于0.07°.[结论]本文提出的对称斜装动量轮布局通过动量轮之间的耦合,提高了动量轮的利用效率.相较于传统滑模控制,本文提出的积分滑模综合控制策略在再入体姿态控制上有抖振低、相对超调量小、鲁棒性高的优点,可有效地对再入体的姿态调整进行精确控制.

大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器(RLV)竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性(1月、4月、7月和10月)气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。

再入遥测等待接收天线姿态自动测量与监视技术研究

在再入遥测等待接收天线架设过程中,目前使用的磁、光学仪器存在精度低、易受干扰出现测量误差,且使用这些仪器无法对架设后的天线实时姿态进行测量等不足。同时,天线姿态的实时判定以及一些相关技术工作,对实时信息有着获取需求。为解决这些不足和问题,实现相关需求,在不改变现有装备结构和影响功能的前提下,提出了利用传感器、网络、计算机及面向对象编程等技术,实现天线姿态自动测量与监视的思路,并对实现技术进行了阐述。

再入遥测等待接收系统的布站选址研究

再入飞行实验过程中,组成遥测地面等待接收系统的各接收站位置的合理分布及选址的正确与否,影响着接收设备能否准确、全面地接收到遥测信号。针对无线电设备在工作中易受环境因素、设备性能影响的实际情况以及再入遥测的特殊性,在对相关技术及文献研究的基础上,首先从组成系统的角度出发,确定了各接收站的系统分布关系;然后结合多次实际工作,建立了图上作业选址标定模型;最后对接收点位选址的实地勘察和选址结果的评估做了介绍。

改进滤波的再入飞行器风干扰补偿鲁棒制导律

为了解决滑翔式再入飞行器受临近空间风干扰影响的问题,本文基于预测校正制导方法,对风场引起的落点误差进行了分析。通过自适应滤波方法在线预估误差,并进行末端点位置调整来补偿风场对飞行器再入路径的影响。同时,滚动优化倾侧角幅值参数,使参数随待飞航程的变化而更新,从而提高末端制导精度。使用蒙特卡罗法对不同风场影响下的飞行路径进行仿真,对比该制导律的优化效果。仿真结果表明:风速预测值标准差在0.3以内,设计的制导律能够将末端速度控制在15 m/s以内,落点误差在800 m以内,更接近于无风状态的落点。

“航天器再入返回控制”项目式教学探索与实践

本文基于“航天器再入返回控制”课程的教学特点,开展了项目式教学改革的探索与实践工作。以航天器再入返回控制系统的设计为项目背景,组建了课程的理论知识体系,将“项目引导,任务驱动”等特征贯穿于教学目标、教学内容、教学方法、思政教育以及考核评价五方面的教学设计当中。通过多个子项目以及综合项目的教学与实践,来促进学生知识、能力和素质的培养,并增强学生多学科理论知识的融合能力和项目设计与实践能力。

基于Dueling DQN的临近空间飞行器再入轨迹规划

针对临近空间飞行器再入段禁飞区规避制导问题,构建了临近空间飞行器再入过程横侧向制导的马尔可夫决策过程(Markov decision process,MDP)模型。基于竞争深度Q网络(dueling deep Q network,Dueling DQN),设计了横侧向制导律及满足射程需求与禁飞区规避需求的再入过程奖励函数。经仿真验证,该横侧向制导律能够通过改变倾侧角符号实现禁飞区规避,并导引飞行器到达目标区域,具备较高精度,验证了方法的有效性。

再入体碳基防热材料烧蚀流场红外辐射模拟

烧蚀效应是高超声速飞行器目标特性分析评估中的重要问题之一。基于高温反应气体动力学方程与辐射输运方程,建立了飞行器表面防热材料热化学烧蚀流场及其红外辐射特性的计算模型和方法。以钝锥体弹头外形及其表面防热材料碳-碳为对象,研究了材料烧蚀效应对再入目标流场红外辐射特性的影响,分析了再入体烧蚀流场及尾流在不同波段红外辐射的分布特征和变化规律。研究发现:典型状态计算结果与试验测量及文献预测结果一致,表明烧蚀流场及红外辐射模型和方法的可行性;材料热化学烧蚀现象对再入流场红外辐射特性产生严重影响,使3~8μm波段尾流积分辐射强度增加一个量级以上,并随着尾流长度增加而增大;烧蚀流场红外辐射主要来自CO、NO和CO_(2)等化学组分,烧蚀对1~3μm波段流场红外辐射影响相对较弱;再入速度不变情况下,烧蚀流场在3~8μm波段红外辐射强度随再入高度降低而增强;再入高度不变情况下,烧蚀流场在同样波段红外辐射强度随着再入速度减小而减弱。

基于虚拟再入角的快速离轨制动制导方法

为满足再入飞行器快速离轨制动的需求,提出一种基于虚拟再入角的快速离轨制动制导方法。在分析脉冲离轨制动的制导机理的基础上,采用有限推力方式逐渐接近终端状态,满足再入角度和再入速度的交班需求;采用凸优化方法计算满足多终端约束的时间最优轨迹,结合有限推力制导算法的仿真结果,分析轨迹特点,提出虚拟再入角概念,设计考虑多终端约束的快速离轨制动的在线制导算法。分别从运算效率和制导精度两个方面,同现有方法进行比较,并在发动机推力大小与方向存在偏差情况下进行蒙特卡洛仿真。仿真结果表明,相比于现有算法,所提出的算法在保障同等控制精度的前提下,实现了快速离轨阶段快速的目标,且可以满足在线计算的需求。

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景,从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发,建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型,发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法,并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料,开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟,重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明:在表面材料中不含碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小,而在含有微量碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响,由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。

再入飞行器关键技术发展与展望

再入飞行器返回地球大气层或者进入其他有大气天体的过程中,面临着极其严酷和复杂的力热载荷环境条件,为了保证再入飞行器能够安全可靠、准确到达预定位置,需要一系列关键技术的支撑,主要包括:先进气动布局设计与气动特性精确预示技术、再入动力学建模与分析技术、多约束轨迹规划与制导控制技术、高精准度的气动热环境预示技术、热防护系统设计及试验技术等。

等再入航程返回轨道模糊混合优化设计

为了消除采用梯度迭代求解算法求解再入弹道优化问题时对初始值的依赖,减小遗传算法对种群数量和迭代次数的需求,采用模糊思想设计了改进的稳态遗传-序列二次规划(GA-SQP)混合求解算法。针对等再入航程返回轨道设计问题,提出了初始种群的基因检测方法、基于模糊隶属度的评分函数建立方法和搜索过程中劣质基因的评分方法,考虑了过载超限时间约束、倾侧角翻转最大角速度限制等实际约束,给出了序列二次规划求解过程中再入点在瞄准点之后和制动时长过短的特殊情况下约束的处理方法。采用改进的稳态GA-SQP混合求解算法,可以实现近地轨道变高度返回的情况下等再入航程返回轨道设计。改进的稳态GA-SQP混合求解算法不依赖于初始值,种群数量较小,与未改进的遗传-序列二次规划算法相比迭代次数减少34.7%,计算速度和计算精度均达到工程适用程度。

正向夹层再入真腔技术在慢性完全闭塞病变介入治疗中的应用及临床预后评估

正向夹层再入真腔(ADR)技术是冠状动脉慢性完全闭塞(CTO)介入治疗的主要方法之一,是CTO介入治疗Hybrid策略的重要组成部分,是某些CTO患者或某些CTO病变的唯一治疗方法。现对Stingray球囊辅助下ADR在CTO病变中的应用及临床预后进行评估,以期增加对该技术的了解,为更好地治疗CTO病变提供参考。