垂直起降可重復使用運載火箭是在近年來開始進入實用階段的能夠以更低成本、更高效率將有效載荷送入空間的一種有效工具。這一新型飛行器從概念提出到實際應用,以至于在對其未來發(fā)展的探索過程中,牽引了包括先進制導控制技術在內(nèi)的多項新技術的發(fā)展。與此同時,隨著優(yōu)化理論、算法和計算設備的發(fā)展,高效可靠的在線軌跡優(yōu)化技術在學術和工程領域均被認為可為未來先進制導應用提供有效的解決方案。論文在上述背景下,以具有計算快速性和收斂確定性理論優(yōu)勢的凸優(yōu)化算法作為基本工具,開展針對火箭子級精確軟著陸問題的在線軌跡優(yōu)化和最優(yōu)制導方法研究。論文主要工作集中在對非凸軌跡優(yōu)化問題的凸化處理以及對相應高效率、高精度軌跡優(yōu)化和制導算法的設計上,主要研究內(nèi)容如下:對可重復使用運載火箭子級著陸飛行特性進行了分析,根據(jù)子級著陸過程中受力特點和關鍵狀態(tài)剖面變化規(guī)律,給出了軌跡優(yōu)化問題建模依據(jù);建立了兩套滿足不同飛行階段應用需求的不同復雜度的優(yōu)化模型;依據(jù)凸優(yōu)化理論,對兩套模型的非凸特性進行了分析;使用偽譜法對連續(xù)最優(yōu)控制問題進行了離散化處理�；鸺蛹壷戃壽E優(yōu)化問題中的非凸約束主要有兩類,一是具有殼狀可行域的推力幅值約束,二是非線性的... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：136 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

獵鷹-9火箭一子級海上著陸飛行剖面示意圖（非真實尺度）

化的適用于未來火星探測精準著陸的制導算法[29-32]。G-FOLD 算法正是無損凸法研究的開端，是在線軌跡優(yōu)化方法應用于制導問題中的價值極高的探索，體內(nèi)容在后文的文獻綜述中討論。ADAPT 的機體是由 Masten 公司提供的 XA-0.1B Xombie 亞軌道火箭，配有海平面推力 3.3 kN 的“短斧”液氧/異丙醇火箭發(fā)動機。Xombie 自帶姿態(tài)控統(tǒng)和飛行管理系統(tǒng)，由 JPL 提供的運行 G-FOLD 算法的箭載計算機則以有效的形式搭載在 Xombie 上并與其飛行管理系統(tǒng)連接。該箭機采用配有 1.4 GHz英特爾 M 處理器、1 GB 內(nèi)存、16GB 固態(tài)硬盤以及 100 Mbps 以太網(wǎng)接口的計算機，并搭載配有 Xenomai 實時內(nèi)核補丁的 Gentoo Linux 操作系統(tǒng)。在這機上，基于凸優(yōu)化的 G-FOLD 算法的計算耗時為 100 毫秒左右，具備實現(xiàn)制能的能力。在文獻[32]中，其專門指出 G-FOLD 在 ADAPT 平臺上實現(xiàn)的“制導指為控制系統(tǒng)生成前饋參考軌跡。在 2012 至 2014 年，ADAPT 共進行了 8 次的飛行試驗，其中前三次 G-FOL地面執(zhí)行，后 5 次在箭上執(zhí)行，有效地驗證了算法的預期設計性能。其實際飛行場景和飛行剖面如圖 1-2 所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]重復使用航天運輸系統(tǒng)發(fā)展與展望[J]. 龍樂豪,蔡巧言,王飛,馬婷婷,聞悅.  科技導報. 2018(10)
[2]常規(guī)運載火箭解決落區(qū)安全問題的方法[J]. 田繼超,宋強,洪剛,張然.  航空學報. 2018(S1)
[3]垂直起降可重復使用運載器發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術分析[J]. 崔乃剛,吳榮,韋常柱,徐大富,張亮.  宇航總體技術. 2018(02)
[4]運載火箭傘降回收著陸技術概述[J]. 黃偉.  航天返回與遙感. 2017(03)
[5]火箭垂直回收著陸段在線制導凸優(yōu)化方法[J]. 張志國,馬英,耿光有,余夢倫.  彈道學報. 2017(01)
[6]基于改進偽譜反饋控制的遠程變軌閉環(huán)制導[J]. 閆循良,廖守億,何泰,王仕成,張金生.  宇航學報. 2016(01)
[7]偽譜法及其在飛行器軌跡優(yōu)化設計領域的應用綜述[J]. 楊希祥,楊慧欣,王鵬.  國防科技大學學報. 2015(04)
[8]高超聲速滑翔飛行器軌跡優(yōu)化與制導綜述[J]. 黃長強,國海峰,丁達理.  宇航學報. 2014(04)
[9]基于Radau偽譜法的非線性最優(yōu)控制問題的收斂性[J]. 黃詰,張友安,王麗英.  控制理論與應用. 2014(02)
[10]基于凸優(yōu)化理論的含約束月球定點著陸軌道優(yōu)化[J]. 林曉輝,于文進.  宇航學報. 2013(07)

博士論文
[1]深空探測小推力軌跡優(yōu)化的間接法與偽譜法研究[D]. 郭鐵丁.清華大學 2012
[2]高超聲速滑翔式再入飛行器軌跡優(yōu)化與制導方法研究[D]. 雍恩米.國防科學技術大學 2008



本文編號：3383880