可重复使用运载火箭在线轨迹优化与制导方法研究

发布时间：2021-09-04 19:35

　　垂直起降可重复使用运载火箭是在近年来开始进入实用阶段的能够以更低成本、更高效率将有效载荷送入空间的一种有效工具。这一新型飞行器从概念提出到实际应用,以至于在对其未来发展的探索过程中,牵引了包括先进制导控制技术在内的多项新技术的发展。与此同时,随着优化理论、算法和计算设备的发展,高效可靠的在线轨迹优化技术在学术和工程领域均被认为可为未来先进制导应用提供有效的解决方案。论文在上述背景下,以具有计算快速性和收敛确定性理论优势的凸优化算法作为基本工具,开展针对火箭子级精确软着陆问题的在线轨迹优化和最优制导方法研究。论文主要工作集中在对非凸轨迹优化问题的凸化处理以及对相应高效率、高精度轨迹优化和制导算法的设计上,主要研究内容如下:对可重复使用运载火箭子级着陆飞行特性进行了分析,根据子级着陆过程中受力特点和关键状态剖面变化规律,给出了轨迹优化问题建模依据;建立了两套满足不同飞行阶段应用需求的不同复杂度的优化模型;依据凸优化理论,对两套模型的非凸特性进行了分析;使用伪谱法对连续最优控制问题进行了离散化处理。火箭子级着陆轨迹优化问题中的非凸约束主要有两类,一是具有壳状可行域的推力幅值约束,二是非线性的... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：136 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

猎鹰-9火箭一子级海上着陆飞行剖面示意图（非真实尺度）

化的适用于未来火星探测精准着陆的制导算法[29-32]。G-FOLD 算法正是无损凸法研究的开端，是在线轨迹优化方法应用于制导问题中的价值极高的探索，体内容在后文的文献综述中讨论。ADAPT 的机体是由 Masten 公司提供的 XA-0.1B Xombie 亚轨道火箭，配有海平面推力 3.3 kN 的“短斧”液氧/异丙醇火箭发动机。Xombie 自带姿态控统和飞行管理系统，由 JPL 提供的运行 G-FOLD 算法的箭载计算机则以有效的形式搭载在 Xombie 上并与其飞行管理系统连接。该箭机采用配有 1.4 GHz英特尔 M 处理器、1 GB 内存、16GB 固态硬盘以及 100 Mbps 以太网接口的计算机，并搭载配有 Xenomai 实时内核补丁的 Gentoo Linux 操作系统。在这机上，基于凸优化的 G-FOLD 算法的计算耗时为 100 毫秒左右，具备实现制能的能力。在文献[32]中，其专门指出 G-FOLD 在 ADAPT 平台上实现的“制导指为控制系统生成前馈参考轨迹。在 2012 至 2014 年，ADAPT 共进行了 8 次的飞行试验，其中前三次 G-FOL地面执行，后 5 次在箭上执行，有效地验证了算法的预期设计性能。其实际飞行场景和飞行剖面如图 1-2 所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]重复使用航天运输系统发展与展望[J]. 龙乐豪,蔡巧言,王飞,马婷婷,闻悦.  科技导报. 2018(10)
[2]常规运载火箭解决落区安全问题的方法[J]. 田继超,宋强,洪刚,张然.  航空学报. 2018(S1)
[3]垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析[J]. 崔乃刚,吴荣,韦常柱,徐大富,张亮.  宇航总体技术. 2018(02)
[4]运载火箭伞降回收着陆技术概述[J]. 黄伟.  航天返回与遥感. 2017(03)
[5]火箭垂直回收着陆段在线制导凸优化方法[J]. 张志国,马英,耿光有,余梦伦.  弹道学报. 2017(01)
[6]基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导[J]. 闫循良,廖守亿,何泰,王仕成,张金生.  宇航学报. 2016(01)
[7]伪谱法及其在飞行器轨迹优化设计领域的应用综述[J]. 杨希祥,杨慧欣,王鹏.  国防科技大学学报. 2015(04)
[8]高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导综述[J]. 黄长强,国海峰,丁达理.  宇航学报. 2014(04)
[9]基于Radau伪谱法的非线性最优控制问题的收敛性[J]. 黄诘,张友安,王丽英.  控制理论与应用. 2014(02)
[10]基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化[J]. 林晓辉,于文进.  宇航学报. 2013(07)

博士论文
[1]深空探测小推力轨迹优化的间接法与伪谱法研究[D]. 郭铁丁.清华大学 2012
[2]高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究[D]. 雍恩米.国防科学技术大学 2008



本文编号：3383880