可返回高超声速巡航飞行器轨迹分步与多目标优化
发布时间：2021-08-19 22:50
文章面向空基发射入轨任务,对配置超燃冲压发动机的可返回高超声速巡航飞行器的轨迹优化问题进行了构建和求解。首先应用分步优化的策略,将整个轨迹设计问题分为巡航段优化和剩余段优化两步依次进行:第一步以巡航机械能最高为优化目标,针对巡航段轨迹进行单目标优化,得到最优初始巡航状态;第二步以此为巡航段入口条件,针对剩余段轨迹进行驻点峰值热流最小、轨迹振荡最小的二维多目标优化。然后对各段飞行轨迹的优化模型进行了定义,包括目标函数、设计变量和约束条件三要素。其中,第一步巡航段单目标优化采用序列二次规划法,第二步剩余段多目标优化采用第三代直接搜索域的经典方法。最后,结合一个优化算例,求解得到巡航段优化解和剩余段的多目标优化Pareto前缘点集。对该点集的分布特性进行了分析,并给出了轨迹设计解的选择建议,为实际工程设计提供参考。
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(03)CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
飞行剖面Fig.1Flightprofile
第3期王开强等:可返回高超声速巡航飞行器轨迹分步与多目标优化25图4中位于最左上方的Pareto点对应于驻点峰值热流Qsm最小的单目标优化解，最右下方的Pareto点则对应于轨迹振荡程度Δγsum最小的单目标优化解。两者的对比如图5所示，主要轨迹参数如表4所示。（a）高度（a）Altitude（b）驻点热流（b）Heatfluxatthestagnationpoint（c）飞行攻角（c）Angleofattack图5两个轨迹优化解对比Fig.5Comparisonofthetwooptimaltrajectories表4轨迹参数Tab.4Trajectoryparameters参数Qsm最优解Δγsum最优解Δγsum/（°）136.988.0最大动压/kPa107.2123.1最大过载3.753.82Qsm/(MW/m2)4.0844.468maxmincrcrMaMa0.020.02maxmincrcr/（°）0.030.04mincr/（°）0.100.00hf/km3.03.0vf/(m/s)179.9188.6γf/（°）-17.0-16.8xf/km10351046
虑：1）从飞行任务层面，空基发射入轨任务中，巡航段是最主要的飞行阶段，入轨飞行器的空基投放就是在该段完成。因此，巡航轨迹与飞行主任务直接相关，应首先予以优化确定。2）从轨迹优化步骤层面，剩余飞行段的轨迹优化须基于巡航飞行状态进行。其中爬升滑行段需要初始巡航飞行状态作为其轨迹优化的终端状态约束，从而在该段结束时顺利转入高超声速巡航飞行；而返回段的轨迹优化则需要以巡航段结束时刻的飞行状态作为状态变量的初始值。因此，巡航飞行状态也是其它飞行段轨迹优化的前提基矗整个轨迹分步多目标优化的流程如图2所示。首先对巡航段飞行轨迹进行单目标优化，得到最优巡航初始飞行状态参数。然后基于此进行剩余段的轨迹多目标优化，其首先根据最优初始巡航状态进行爬升滑行段的轨迹优化；然后进行巡航段飞行仿真，得到巡航段结束时刻的飞行状态参数；最后基于此进行返回段的轨迹优化，最终得到整个飞行轨迹。图2分步轨迹优化流程Fig.2Procedureofmultisteptrajectoryoptimization优化算法方面，第一步巡航段轨迹单目标优化采用序列二次规划算法（SequentialQuadraticProgramming，SQP）；第二步剩余段则采用经典多目标优化方法中的第三代直接搜索域法DSD-III[20-21]。2.3各段优化目标讨论（1）巡航段优化目标巡航段的优化目标对应于飞行任务级目标。在本文针对的空基发射入轨任务中，为入轨飞行器提供更多的初始机械能是其追求的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用边界交叉法的高超声速滑翔飞行器多目标轨迹优化[J]. 汪雷,葛健全,杨涛,丰志伟,李正楠. 国防科技大学学报. 2016(04)
[2]基于遗传算法的平流层飞艇航迹规划方法研究[J]. 吴雷,李勇,李智斌. 航天返回与遥感. 2011(01)
[3]高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化[J]. 陈小庆,侯中喜,刘建霞. 国防科技大学学报. 2009(06)
[4]基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化[J]. 雍恩米,陈磊,唐国金. 航空学报. 2008(05)
[5]高超声速飞行器最优周期巡航轨迹优化[J]. 马辉,袁建平,方群. 飞行力学. 2008(04)
[6]X43高超声速飞行器的飞行热走廊研究[J]. 金玲,王安龄,桂业伟,耿湘人,唐伟. 工程热物理学报. 2007(02)
硕士论文
[1]吸气式高超声速飞行器轨迹优化研究[D]. 张泰.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3352281
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(03)CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
飞行剖面Fig.1Flightprofile
第3期王开强等:可返回高超声速巡航飞行器轨迹分步与多目标优化25图4中位于最左上方的Pareto点对应于驻点峰值热流Qsm最小的单目标优化解，最右下方的Pareto点则对应于轨迹振荡程度Δγsum最小的单目标优化解。两者的对比如图5所示，主要轨迹参数如表4所示。（a）高度（a）Altitude（b）驻点热流（b）Heatfluxatthestagnationpoint（c）飞行攻角（c）Angleofattack图5两个轨迹优化解对比Fig.5Comparisonofthetwooptimaltrajectories表4轨迹参数Tab.4Trajectoryparameters参数Qsm最优解Δγsum最优解Δγsum/（°）136.988.0最大动压/kPa107.2123.1最大过载3.753.82Qsm/(MW/m2)4.0844.468maxmincrcrMaMa0.020.02maxmincrcr/（°）0.030.04mincr/（°）0.100.00hf/km3.03.0vf/(m/s)179.9188.6γf/（°）-17.0-16.8xf/km10351046
虑：1）从飞行任务层面，空基发射入轨任务中，巡航段是最主要的飞行阶段，入轨飞行器的空基投放就是在该段完成。因此，巡航轨迹与飞行主任务直接相关，应首先予以优化确定。2）从轨迹优化步骤层面，剩余飞行段的轨迹优化须基于巡航飞行状态进行。其中爬升滑行段需要初始巡航飞行状态作为其轨迹优化的终端状态约束，从而在该段结束时顺利转入高超声速巡航飞行；而返回段的轨迹优化则需要以巡航段结束时刻的飞行状态作为状态变量的初始值。因此，巡航飞行状态也是其它飞行段轨迹优化的前提基矗整个轨迹分步多目标优化的流程如图2所示。首先对巡航段飞行轨迹进行单目标优化，得到最优巡航初始飞行状态参数。然后基于此进行剩余段的轨迹多目标优化，其首先根据最优初始巡航状态进行爬升滑行段的轨迹优化；然后进行巡航段飞行仿真，得到巡航段结束时刻的飞行状态参数；最后基于此进行返回段的轨迹优化，最终得到整个飞行轨迹。图2分步轨迹优化流程Fig.2Procedureofmultisteptrajectoryoptimization优化算法方面，第一步巡航段轨迹单目标优化采用序列二次规划算法（SequentialQuadraticProgramming，SQP）；第二步剩余段则采用经典多目标优化方法中的第三代直接搜索域法DSD-III[20-21]。2.3各段优化目标讨论（1）巡航段优化目标巡航段的优化目标对应于飞行任务级目标。在本文针对的空基发射入轨任务中，为入轨飞行器提供更多的初始机械能是其追求的目标。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用边界交叉法的高超声速滑翔飞行器多目标轨迹优化[J]. 汪雷,葛健全,杨涛,丰志伟,李正楠. 国防科技大学学报. 2016(04)
[2]基于遗传算法的平流层飞艇航迹规划方法研究[J]. 吴雷,李勇,李智斌. 航天返回与遥感. 2011(01)
[3]高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化[J]. 陈小庆,侯中喜,刘建霞. 国防科技大学学报. 2009(06)
[4]基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化[J]. 雍恩米,陈磊,唐国金. 航空学报. 2008(05)
[5]高超声速飞行器最优周期巡航轨迹优化[J]. 马辉,袁建平,方群. 飞行力学. 2008(04)
[6]X43高超声速飞行器的飞行热走廊研究[J]. 金玲,王安龄,桂业伟,耿湘人,唐伟. 工程热物理学报. 2007(02)
硕士论文
[1]吸气式高超声速飞行器轨迹优化研究[D]. 张泰.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3352281
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3352281.html
