高斯伪谱法在变推力导弹弹道优化中的应用

为实现对可变推力固体火箭发动机推进剂的充分利用,以近程导弹拦截目标为特定研究场景,在推进剂质量给定的情况下采用Gauss伪谱法进行弹道优化设计。该方法采用变推力控制,选用固体火箭发动机实现推力可调,由比例导引给出制导指令,研究Gauss伪谱法在变推力导弹弹道优化中的应用方法,最终得到目标函数及约束条件下的比例导引变推力优化方案。仿真结果表明了高斯伪谱法应用于可变推力导弹弹道优化设计的有效性,同时与传统发动机方案下的弹道进行对比,表明了变推力控制在导弹弹道性能上的优越性。     

Gauss伪谱法的再入可达域计算方法

为了加快优化速度和提高优化质量,提出一种基于Gauss伪谱法的再入可达域计算方法。鉴于再入时一般采用固定的攻角剖面,将攻角作为状态变量,仅对倾侧角进行单变量寻优。优化过程中,再入纵程被视为终端约束,以获取不同纵程下的最大横程,将速度倾角视为过程约束,以消除弹道的跳跃现象。通过仿真,求解出了通用航空飞行器的再入可达域,结果与间接法的理论证明一致。     

基于Gauss伪谱法的空空导弹最优中制导律设计

研究Gauss伪谱法在空空导弹最优中制导律设计中的应用。建立空空导弹中制导律设计问题最优控制模型,首次提出采用Gauss伪谱法求解最优中制导律设计问题的思路,详细阐述了求解流程,通过仿真算例验证了求解方法的有效性,并同比例导引、打靶法等传统方法进行了对比。仿真结果表明,综合考虑性能指标、计算精度、计算效率等因素,Gauss伪谱法具有明显优势,Gauss伪谱法求解结果和求解效率与配点个数密切相关。研究结果为空空导弹中制导律设计提供理论参考。     

垂发超近程导弹弹道优化设计

垂发超近程导弹弹道优化设计是通过设计飞行攻角和发动机推力参数使得导弹性能指标达到最优或次优。针对超近程导弹垂直发射的特点给出发动机推力的分段准则,设计导弹初始飞行状态、飞行过程状态和终端弹道状态参数等约束条件,建立导弹运动学模型和多约束条件下弹道优化模型。基于hp-伪谱法将弹道优化问题转变成非线性规划问题。最后将优化方案所得的结果和遗传算法的优化结果进行对比分析验证优化方案的合理性。仿真结果表明可为垂发超近程导弹弹道设计提供参考。     

助推-滑翔飞行器弹道分段优化研究

通过数值计算得到了升力体飞行器的气动参数,利用Radau伪谱法将助推-滑翔飞行器弹道优化问题转化为非线性规划问题,分别对主动段和滑翔段进行优化,通过仿真得到了飞行器从助推到滑翔的完整弹道,分析了主动段性能指标对飞行器最大射程的影响。研究结果表明,采用主动段关机点速度最大为性能指标的优化方案,其射程最大,且实现难度适中。     

再入点参数偏差对过载定延时引信误差研究

为分析导弹再入点速度偏差和弹道倾角偏差对过载定延时引信爆高精度的影响,针对再入段的飞行特性,通过再入段弹道模型,分别分析实际弹道再入点速度、弹道倾角与标准弹道的偏差对过载定延时引信爆高精度的影响,仿真结果表明:弹道倾角偏差对过载定延时引信爆高精度影响较大,在实际飞行过程中传送再入点速度和弹道倾角时可有效减小过载定延时引信爆高误差。     

高超声速飞行器多目标复杂约束滑翔弹道优化

针对气动热、过载、动压、控制量、航路点、禁飞区以及终端状态等复杂约束条件,提出高超声速飞行器多目标滑翔弹道优化方案。建立换极运动模型,简化部分约束条件的处理,并规避了传统运动模型的奇异问题;在此基础上,引入物理规划方法将多目标优化问题转换为反映设计者不同偏好的单目标优化问题;进一步基于分段Gauss伪谱方法将弹道单目标优化的最优控制问题转换为非线性规划问题进行求解。仿真结果表明,该方法获得的滑翔优化弹道能满足复杂约束要求,同时能够反映设计者的不同偏好。     

基于Gauss伪谱法的航天器气动力辅助平面变轨问题研究

气动力辅助变轨技术可以有效地节约燃料,是未来航天器新型变轨技术的发展方向之一.该文采用Gauss伪谱法对航天器从高轨道向低轨道共面轨道转移问题进行了研究.在考虑热流限制、控制约束的条件下,得到了航天器大气飞行段的次优轨迹,并对轨迹特性进行了分析,证明优化结果满足一阶最优性必要条件.同时采用间接法处理该问题,对两种方法的...     

子母弹再入段飞行干扰弹道仿真系统设计与实现

建立了分块的子母弹全弹道仿真流程,给出了影响子母弹子弹落点散布的三类再入段干扰因素,并提出了干扰因素的基本分析方法,最后对子母弹再入段飞行干扰弹道仿真系统的设计方案进行了总结。结果表明,该仿真系统可以弹道的不同阶段为入口进行不同导弹飞行段的弹道解算,通过设置不同的干扰因素,可进行多因素对子弹落点散布影响研究,为子母弹子弹落点散布规律的研究提供技术支撑。     

微小型飞行器姿态快速机动控制方法

针对某弹道导弹释放的微小型飞行器的姿态控制任务需求,提出一种基于Gauss伪谱法的姿态快速机动控制方法。建立精确的姿态控制模型,并考虑反作用飞轮的耦合力矩项;采用Gauss伪谱法获取最优姿态轨迹,设计准滑模跟踪控制器以跟踪该最优轨迹。数字仿真结果表明,Gauss伪谱法计算得到的轨迹是最优的,准滑模跟踪控制器能实现对最优轨迹的良好跟踪,且对干扰力矩有较好的抑制作用。     

高超声速反舰导弹作战效能指标体系研究

分析了包括高超声速反舰导弹在内的高超声速武器的发展现状，明确了高超声速反舰导弹的基本定义和不同的分类方式，以及高超声速反舰导弹飞行弹道分段标准和分段名称，概括总结了高超声速反舰导弹主动段、惯性段、再入滑翔段和下压段等四个弹道阶段的任务和特点，建立了以射击精度等四项效能指标为一级指标的作战效能指标体系，并对效能指标的具体含义及分析方法进行了说明。     

助推—滑翔式导弹中段弹道方案的初步分析

建立了助推—滑翔式弹道中段的无量纲运动方程。采用非线性规划方法实现弹道优化。首先求解不同初始速度、速度倾角和最大升阻比的最大射程弹道,然后考虑驻点热流、过载约束,求解总气动加热最小和射程最大的最优弹道。基于前者的计算结果分析了初始条件对最大射程弹道的影响。将考虑约束的再入滑翔弹道与弹道式再入的特征参数比较,表明再入滑翔弹道的峰值热流较小,而总气动加热增加,但再入滑翔飞行时间在一般锥形体再入机动飞行器的热防护系统可承受的时间范围内。     

再入快速抵达轨迹优化设计方法

针对再入初始速度大、飞行时间约束苛刻的轨迹设计问题,提出一种基于遗传算法和攻角+倾侧角联合优化的再入快速抵达轨迹优化设计方法。该方法在再入初段利用较大攻角迅速减小弹道倾角和拉平弹道,在再入后段/滑翔段联合设计和优化攻角+倾侧角变化规律以显著降低终端飞行速度,同时满足终端高度、终端航向角、最大动压、最大热流等约束条件。该方法能够提升传统升力体飞行器再入快速到达能力并拓展其应用范围。仿真结果表明,在典型飞行器参数和较大初始再入速度条件下,全程飞行时间小于12 min,终端速度能够小于7Ma,横向机动距离超过800 km。     

高超声速滑翔式飞行器再入轨迹多目标多约束优化

轨迹优化是高超声速滑翔式飞行器关键技术之一.为避免间接法求解轨迹优化问题时对初值敏感以及伪谱法求解轨迹优化问题中难以处理航路点和禁飞区等问题,提出采用基于Akima插值多项式的直接法求解高超声速滑翔式飞行器再入轨迹优化问题.以驻点热流密度最小和到达目标点时间最小为优化目标,考虑了终端约束、航路点约束、禁飞区约束、动压约束、过载约束等约束条件.仿真结果表明:采用的插值方法可以减少插值过程中的控制变量越界问题;得到的Pareto前沿具有良好的分布性,在初步设计时能够给设计者较大的选择余地;和文献中的单目标优化结果相比,本文所采用的算法也具有较好的寻优能力.     

高超声速滑翔飞行器滑翔段初始状态的唯一性和最优性分析

临近空间高超声速滑翔飞行器的弹道特性主要受滑翔段初始状态和飞行器控制律影响。在飞行器控制律确定的情况下,研究了滑翔段初始状态对高超声速滑翔飞行器弹道特性的影响规律。按照滑翔弹道的不同形式,在纵向平衡滑翔条件下,通过理论推导得出飞行器状态变量的解析式,结合平衡滑翔条件分析平衡滑翔弹道滑翔段初始状态的唯一性；在纵向跳跃滑翔条件下,构建弹道性能评价指标,利用群智能算法,寻找弹道性能最优时的滑翔段初始状态。利用单因素敏感性分析方法,分别对两种滑翔弹道的滑翔段初始状态进行敏感性分析,初始状态中初始速度对弹道特性的影响最大。对高超声速滑翔飞行器初始状态唯一性与最优性的分析,可为高超声速滑翔飞行器的弹道设计、弹道跟踪、轨迹预测和轨迹优化提供借鉴。     

基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化

将一种求解最优控制问题的新方法—高斯伪谱法( Gauss Pseudospectral Method-GPM)和传统的直接打靶法有效结合,对月球着陆器定点软着陆轨道快速优化问题做出了研究.推导了高精度模型下着陆动力学方程.针对优化方法各自的特点和多约束条件下最优月球软着陆轨道设计的难点,提出了问题求解的串行优化策略:将控制变量和终端时间一同作为优化变量,同时离散控制变量与状态变量,取较少的Gauss节点,利用GPM求解初值,初值的求解采用从可行解到最优解的串行优化策略;在Gauss节点上离散控制变量,利用直接打靶法求解精确最优解.仿真结果表明,本文提出的轨道优化方法具有较强的鲁棒性和快速收敛性.     

基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法

对多约束条件下远程助推滑翔飞行器再人滑翔飞行问题,提出了一种基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法.建立了远程助推滑翔飞行器的动力学模型,确定了飞行轨迹约束条件,详细阐述了基于广义标准轨迹的平衡滑翔状态反馈制导方法的制导原理,设计了远程助推滑翔飞行器的侧向和纵向制导律,并采用LQR( linear quadratic regular)方法设计了纵向制导参数,仿真验证了该方法的可行性.与以往再人滑翔制导方法不同,该制导方法主要利用飞行攻角的变化来调节飞行轨迹,飞行过程中飞行器的速度倾侧角较小.仿真结果表明,该制导方法能满足远程助推滑翔飞行器的再入滑翔制导问题,并且具有较好的鲁棒性和自适应性.     

机动发射条件下助推滑翔导弹射击诸元快速解算

针对机动发射条件下助推滑翔导弹对全程弹道快速生成的迫切需求,在弹道设计中选取7个关键性控制量参数作为全程弹道射击诸元,并提出与之相对应的诸元解算算法。将全程弹道分为助推段、初始下降段、滑翔段和俯冲攻击段,在统一化运动模型描述的基础上,运用参数化迭代的思路,依次对不同飞行阶段诸元进行了快速求解,满足多种复杂约束条件。在全程诸元迭代解算模式的基础上,提出助推段沿用中心弹道诸元,仅对其他射击诸元进行重计算的部分诸元迭代解算模式。仿真结果表明:采用所提助推滑翔导弹射击诸元快速解算方法,可在大范围机动条件下对远距离地面固定目标进行快速精确打击。     

高超声速伸缩翼变形飞行器轨迹多目标优化

针对高超声速条件下变形技术的应用模式，对具有伸缩翼的组合式飞行器滑翔弹道进行了多目标优化研究。介绍了伸缩翼的变形模式，给出了不同变形状态下的气动特性；建立了三自由度滑翔轨迹动力学模型和伸缩翼前缘热流计算模型；采用MOEA/D多目标优化算法，以变形条件和飞行攻角为设计变量、以最大射程和最小翼前缘总吸热量为目标函数，进行了多目标优化计算。优化结果表明，MOEA/D计算得到了相对均匀分布的Pareto最优解集，将伸缩翼外形与无变形外形相比，飞行器滑翔段射程得到了显著提高，同时伸缩翼前缘总吸热量有明显的降低。