亚轨道飞行器初期返回段轨迹设计研究

针对亚轨道飞行器初期返回段不确定性导致末端落点散布范围较大、从而无法满足TAEM段窗口的问题,提出一种基于轨迹数据库的轨迹设计方案。给出纵向质点动力学方程,研究不确定性和约束条件对轨迹设计的要求;在充分考虑飞行器飞行能力的前提下,根据SLV进入初期返回段时的状态规划速度-迎角剖面,同时分析不确定性对轨迹设计结果的影响;通过将不确定性重新组合进行轨迹数据库设计。综合仿真表明:采用该方法进行轨迹设计不仅可以满足动压和过载等过程约束以及终端约束,并且对不确定性具有良好的适应能力,具备一定的实用价值。

美国充气减速飞行器近地轨道飞行试验分析

2022年11月10日,美国国家航空航天局(NASA)按计划完成了“充气式减速器近地轨道飞行试验”(Low-Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator,LOFTID)任务。LOFTID飞行器总质量约1088kg,充气展开直径约6.0m,再入速度8000m/s,再入段峰值温度约1650℃,峰值过载约9g。LOFTID飞行器从充气展开至顺利落入回收海域全程飞行约1h,圆满完成了近地轨道再入飞行试验。此次试验首次验证了第一宇宙速度再入返回气动减速技术,该任务的成功对开展以火星探测为代表的行星际任务具有重要的里程碑意义。

一种亚轨道飞行器再入段组合导航方法

针对亚轨道飞行器再入飞行段的环境特性,设计了由INS、GPS、CNS组成的容错型组合导航系统,该系统能根据不同飞行阶段选择相应的传感器组合方案,将处于运行状态且无故障的子系统信息自动地实现最优融合。仿真结果表明,所设计系统具有良好的容错性,并达到了较高的导航精度。

亚轨道飞行器返回轨道设计方法研究

返回轨道的设计对于亚轨道飞行器安全返回地面起着十分重要的作用。依据气动力作用的显著性,将返回下降轨道分为初始下降段和过渡段,初始下降段采用定倾斜角的飞行方法,过渡段中,采用四次多项式建立标准高度-速度剖面,通过将各种约束表示在高度速度空间中,得到轨道设计约束边界,在满足这些约束边界的前提下,得到标准高度-速度剖面的多项式系数,最后,通过对航程的调制,得到最终的标准轨道。

亚轨道飞行器上升段轨迹优化与快速重规划

针对亚轨道飞行器上升段轨迹优化问题,提出了基于Legendre伪谱法的轨迹优化与快速重规划方法。结合亚轨道飞行器上升段运动特点,着重研究气动力的表示方法,建立了矢量形式的动力学方程。应用Legendre伪谱法进行上升段轨迹优化,并分析了优化结果。结合该方法的特点研究了基于Legendre伪谱法的轨迹重规划方法。仿真表明轨迹优化结果具有精度高、满足一阶最优性必要条件等特点,重规划轨迹的入轨精度高,且重规划的时间短,能满足快速性要求。

大气环境中的亚轨道飞行器再入轨迹仿真

针对亚轨道再入飞行器的高精度轨迹仿真问题,采用了国际上最新的NRLMISISE00大气模式、HWM93水平风场建立了大气参数模拟系统,比较分析了不同模式下影响飞行器运动特性的各种大气参数的区别;利用查普曼公式建立了大气环境中亚轨道再入飞行器的运动方程;结合美国X-33演示验证实验样机,仿真分析了各种大气参数对亚轨道再入飞行器运动参数的影响。研究表明,大气环境对于再入飞行器的影响不容忽略,在实际应用中应该根据具体的任务需求来选择合理的大气模型。

商业载人亚轨道飞行器发展现状与趋势分析

对当前国外各商业公司的载人亚轨道飞行器的发展现状进行了调研,主要包括飞行器系统概况、飞行方案、项目进展等内容。从飞行器与飞行方案设计等角度对各亚轨道飞行器的总体技术特点、各商业公司关于亚轨道飞行器的发展思路和趋势进行了比较分析。得出对我国发展商业亚轨道飞行器的若干启示,建议以旋成体亚轨道乘员舱为发展起点,及早进入载人亚轨道飞行领域,并积极谋划亚轨道空天飞机的长远发展。

基于伪谱法的亚轨道飞行器返回轨迹优化设计

在亚轨道飞行器返回轨迹设计中,不仅要研究其可行轨迹的设计问题,还要研究在各种性能指标下的最优轨迹。文章采用伪谱法研究了亚轨道飞行器返回轨迹优化设计问题。为了便于应用伪谱法并加快优化速度,建立了以能量为独立积分变量的动力学方程,并进行了归一化处理,将终端时间自由的优化问题转化为固定积分区间的优化问题。考虑状态约束、控制约束、过程约束以及终端约束,采用伪谱法进行了亚轨道飞行器的返回轨迹优化设计。从算例的仿真结果可以看出,伪谱法可以较好完成亚轨道飞行器的返回轨迹的优化设计任务。

亚轨道飞行器推力常值损失下应急上升段飞行程序设计

针对亚轨道飞行器(SRLV)应急返回任务,在分析不同故障时段所具有的飞行特点的基础上,提出一种发动机推力常值损失下应急大气上升段飞行程序设计方法。该方法采用随动压变化的正攻角设计方案用于故障后飞行程序设计,使得不同故障时刻SRLV均能够安全到达低动压环境。仿真结果表明,不同故障时刻,该方法均能够在满足弯矩约束、攻角限制的情况下使得故障飞行器安全到达预定高度,为后续应急返回机动飞行提供了有利的飞行条件。

多约束下轨道飞行器备件配置方案建模与优化

针对航空类装备携带备件方案的确定需要综合考虑多项约束指标因素的特点,以轨道飞行器飞入太空随行备件携带方案优化配置为研究背景,在费用、质量及体积3项指标约束条件下,以所有备件期望短缺数总和最小为目标函数,建立了备件配置方案的优化模型.通过设置初始因子初值求出备件初始配置方案,同时引入拉格朗日乘子将各项约束因子转化为保障资源约束因子,采用边际效应法求解并对模型进行优化.最后,对6种方案计算结果进行比较得出备件配置最优方案,并通过实例分析,证明了该方案的科学性和有效性.

亚轨道飞行器返回轨迹快速优化

快速、准确、鲁棒的轨迹生成方法可以增加任务的安全性与可靠性,极大地降低成本。针对亚轨道飞行器返回段特点,引入"伪控制量"、"末端进场走廊"等概念,分别采用高斯伪谱法和向前拉道伪谱法进行了返回轨迹快速优化研究,比较了两种伪谱法在处理复杂问题时的能力。仿真结果表明,向前拉道伪谱法不适合处理含控制量约束的问题,而高斯伪谱法在满足各种约束条件下,能够快速准确地生成亚轨道飞行器返回轨迹,同时验证了结果的可行性与最优性。

亚轨道飞行器返回侧向制导规划方法

侧向制导方法是亚轨道飞行器返回制导方法中重要的一方面。由于亚轨道飞行器返回飞行过程短,因此采用侧向走廊的方法进行倾斜角的反向控制,末端制导精度差。为此,利用归一化能态方程的积分端点固定、积分过程快的特点,提出了一种快速收敛的迭代倾斜角反向时机规划方法。算例结果表明,采用该方法可以实现反向点的在线规划,从而有效提高了侧向制导精度。

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。

亚轨道飞行器上升段轨迹快速生成方法研究

亚轨道飞行器飞行任务的主要特点是任务多样,任务时间间隔短。因此快速生成最优轨迹对保障亚轨道飞行器任务的完成至关重要。针对传统上升轨迹设计方法中存在的时间花销大、任务适应性较差等问题,基于最优控制理论对亚轨道飞行器上升段轨迹生成方法进行了研究。以上升段燃料消耗量最少作为性能指标,选取攻角、侧滑角和倾斜角作为控制变量求解最优性条件。采用经典的有限差分法将状态和伴随状态表示的两点边值常微分方程问题转化为非线性方程组,并使用改进型牛顿法求根。最后通过仿真分析,验证了给出的轨迹生成方法的快速性。

亚轨道飞行器航程控制的末端能量管理方法

提出一种针对小能量亚轨道飞行器在无动力返回末端区域的多参数耦合、能量航向分离控制、动势能匹配衰减的精确控制的末端能量管理方法。以动能、势能作为约束条件,以航程作为优化指标,采用能量控制方法实时生成能量剖面,根据飞行器名义能量/航程在能量剖面中的位置确定迎角,最终生成三个姿态角。仿真结果表明用这种方法得到了良好的制导结果。

亚轨道飞行器任务中止再入轨迹优化设计

针对亚轨道飞行器上升段由于动力故障任务中止时再入返回的问题,考虑飞行模型简化和故障后的燃料处理方案,通过遗传算法优化设计最优返回轨迹,优化时选取经向飞行航程最远作为性能指标,并采用遗传算法,解决用于再入轨迹优化所涉及的关键问题,并进行仿真。仿真结果表明,方法不但满足飞行器返回过程中加热率、过载、动压约束以及终端状态约束,能够通过飞行航程最远消耗飞行器能量从而安全着陆,而且可以较快地搜索到全局最优解,能够用于亚轨道飞行器故障再入轨迹的优化设计。

亚轨道飞行器的固液火箭发动机的高维多目标设计优化

为完成应用在亚轨道飞行器上的固液火箭发动机系统设计优化,且考虑到系统设计优化问题的复杂性以及采用单目标优化难以获得全局最优解,建立了固液火箭发动机系统设计的4目标设计优化模型,采用非支配排序遗传算法获得超空间Pareto解集。利用基于变偏好区间的超径向可视化技术对超空间Pareto解集进行直观地分析,提高最优解选择的效率。最终获得了全局最优的固液火箭发动机系统设计方案,验证了建立的优化模型的准确性和相比于单目标优化的优势,论证了固液火箭发动机应用在亚轨道飞行器上切实可行以及变偏好区间超径向可视化技术处理超空间Pareto解集的高效性。

亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹设计及仿真

对亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹生成方案进行了研究。该方案将地面投影几何轨迹参数化,通过迭代计算参数生成标准轨迹,验证轨迹可行性并选择最优轨迹。经仿真验证,该方案能够在较短时间内完成轨迹的在线生成,结果满足进场着陆要求。

亚轨道飞行器返回轨道设计研究

返回轨道设计关系着亚轨道飞行器能否安区返回。亚轨道飞行器的返回过程不同于航天飞机的返回过程。针对亚轨道飞行器的返回轨道的特点和要求,将基准返回轨道分成常数倾斜角飞行段和解析表达式飞行段进行设计。在常数倾斜角飞行段,采用常数倾斜角控制;在解析表达式飞行段,采用解析表达式来代替飞行高度速度剖面。已知返回点和末端能量管理入口的高度、速度,在满足飞行约束条件下,设计基准返回轨道,并对求得的基准轨道进行跟踪对比。算例表明,给出的亚轨道飞行器返回轨道设计方法是可行的。

亚轨道飞行器再入轨道设计方法研究

由于亚轨道飞行器再入过程持续时间短等特点,使得用于航天飞机的标准轨道法不适用于亚轨道飞行器。因此研究了基于插值的返回轨道生成算法。在传统的三段关于能量线性的阻力剖面的基础上提出改进算法。该算法先根据返回轨道约束、平衡滑翔约束确定阻力剖面上界和下界,后引入三次曲线使其平滑。最后,一维搜索出合适的纵程参数,通过插值得到最终的标准轨道。