高超声速飞行器轨迹优化分析

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1、------------------南京航空航天大学硕士学位论文摘要高超声速飞行器的飞行速度快，飞行空域广，具有全球快速到达且不易被拦截的特点，可以入轨后再入大气层，可重复使用。高超声速飞行器具有重要的军事和民用价值。但在实际使用过程中，高超声速飞行器会受到动压、过载、气动热，甚至禁飞区等条件的约束。轨迹优化技术可以在考虑各种约束条件下，充分发挥高超声速飞行器的使用性能。因此，研究不同优化方法、不同节点数目对轨迹优化问题的影响，具有重要的现实意义。本文首先介绍了各国高超声速飞行器的研究进展，系统总结了常见轨迹优化方法的基本原理及其优缺点。然后基于PSOPT软件包

2、，采用Trapezoid和Simpson配点法、Legendre和Chebyshev伪谱法共4种方法分别以燃料消耗最少为目标对GHAME高超飞行器爬升段轨迹进行了优化设计，以下滑距离最远为目标对GHAME的下滑段轨迹进行了优化设计，以再入水平距离最远为目标对CAV高超飞行器在无约束和考虑动压、过载、气动热约束情况下的再入轨迹进行了优化设计，对各种方法的结果进行了分析。以Chebyshev伪谱法为例，研究了不同节点数对GHAME高超声速飞行器爬升轨迹优化结果的影响。结果表明，在GHAME爬升过程中，各种优化方法所得目标函数差别不大，但爬升过程各有差异；在GHAME

3、下滑过程中，各种方法的结果差距较大；在CAV再入过程中，各种方法的结果一致性很好，在考虑动压、过载和气动热约束后，再入水平距离较无约束情况有所减小。节点数目对GHAME爬升轨迹优化结果影响规律性不强，很难简单依靠增加节点数目来改善GHAME的轨迹优化结果。关键词：高超声速飞行器；轨迹优化；配点法；伪谱法；路径约束I-----------万方数据-----------高超声速飞行器轨迹优化研究ABSTRACTHypersonicvehiclescanflyatahighspeedandaboardairspace,whichcanrapidlyreachanywh

4、ereintheworldandbenoteasytobeblockedandbereusable.ThereisimportantvalueinmilitaryandcivilwithinhypersonicvehicleInreality,hypersonicvehicleswillbelimitedbytheflightdynamicpressure,themaxloadfactor,aerodynamicheating,andevenno-flyzones.Trajectoryoptimizationcanmakesuretheperformanceof

5、hypersonicvehiclesinuse,consideringvariousofconstraintconditions.So,ithasanimportantpracticalsignificancetostudytheeffectsontrajectoryoptimizationbydifferentmethodsanddifferentnodes.Theresearchprogressinhypersonicvehicleontheworldisintroducedinthispaper,andthebasicprincipleandthecorr

6、espondingadvantagesanddisadvantagesofcommontrajectoryoptimizationmethodsaresummarizedsystematically.FourkindsofmethodsinthePSOPTsoftwarepackage,thatistrapezoidcollocationmethod,Simpsoncollocationmethod,LegendrepseudomethodandtheChebyshevpseudomethod,areusedtooptimizetheGHAMEhypersoni

7、cclimbingtrajectoryforthegoalofminimumfuelconsumption,theGHAMEhypersonicdeclinetrajectoryforthegoalofthefarthestdistance,theCAVhypersonicreentrytrajectoryforthegoalofthefarthestdistanceintwocasesthatoneiswithoutpathconstraintandtheotheriswithdynamicpressure,loadfactor,andaerodynamict

8、hermalconstr