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空天飞机再入轨迹优化方法研究

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第一章 绪论

1.1空天飞机简介

1.2轨迹优化问题

1.3再入轨迹优化

1.4研究现状

1.5本文目的与内容

第二章 圆球形大地情况下飞行器运动方程

2.1坐标变换的数学基础知识

2.2坐标系和运动变量定义

2.3飞行器质心运动方程

2.4再入轨迹优化问题

2.5本章小结

第三章 离散方法

3.1梯形离散法

3.2 Hermite-Simpson 离散法

3.3高斯伪谱法

3.4勒让德伪谱法

3.5本章小结

第四章 再入轨迹优化方法

4.1变精度序列优化方法流程

4.2子集模拟优化方法(SSO)简介

4.3序列二次规划法(SQP)简介

4.4 SNOPT程序简介

4.5变精度序列优化算法程序结构

4.6本章小结

第五章 变精度序列优化法算例验证

5.1算例描述

5.2优化结果

5.3结果分析

5.4优化结果轨迹图

5.5本章小结

第六章 变精度序列优化法应用算例

6.1 V尾布局空天飞机再入轨迹优化

6.2单垂尾气动布局空天飞机

6.3本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

附录

参考文献

致谢

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摘要

空天飞机不仅具有极大的商业价值,而且具有重要的军事价值,已成为发达国家的研究热点。轨迹设计是空天飞机设计的一个重要内容。本文主要研究空天飞机再入轨迹优化问题,它属于一类具有路径约束和终端约束的复杂最优控制问题。为提高空天飞机再入轨迹优化方法的稳健性和精度,本文研究一种变精度序列优化方法,主要内容如下:
  1)针对空天飞机再入轨迹优化问题,建立了一种变精度序列优化方法。其主要步骤是:首先进行预优化,即在粗离散情况下,应用混合优化方法进行轨迹优化,获得各时间点设计变量的最优解;然后对预优化的结果进行一元全区间插值处理或者拟合处理,获得细离散情况下设计变量的初值;最后进行精细优化,获得精度更高的计算结果。
  2)分别用插值和拟合变精度序列优化算法对典型算例进行了计算,并对结果进行了对比分析,结果表明插值和拟合变精度序列优化算法都能优化出结果,并能以较少的计算量获得满足精度要求的优化结果;插值变精度序列优化算法的稳健性比拟合变精度序列优化算法更好。
  3)本文以V尾和单垂尾两种气动布局的空天飞机为研究对象,应用插值变精度序列优化方法分别对其进行了再入轨迹优化运算。
  研究表明,对于不同的优化目标,插值变精度序列优化算法均能快速得出再入轨迹的优化结果,显示了该算法具有较好的适应性和计算效率。

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