基于伪谱方法的可重复使用运载器轨迹设计

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1、2013年第4期导弹与航天运载技术No.42013总第327期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.327文章编号：1004-7182(2013)04-0005-04DOI：10.7654/j.issn.1004-7182.20130402基于伪谱方法的可重复使用运载器轨迹设计李永远，时剑波，张雪梅，李洪波（中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京，100076）摘要：运用Gauss伪谱方法将运载器三自由度再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题，选取Gauss节点上的状态量和控制

2、量作为待优化参数，求解同时满足路径约束和终端约束条件下可重复使用运载器（RLV）的总吸热量最小再入轨迹。路径约束包括驻点热流峰值约束、最大动压约束、过载约束以及控制变量约束；终端约束为高度和速度等。选取优化控制变量为迎角和倾斜角。仿真过程表明，Gauss伪谱法对状态猜测值不敏感，算法容易收敛，适用于轨迹优化问题的求解。关键词：Gauss伪谱法；可重复使用运载器；轨迹设计；轨迹优化中图分类号：V412.4文献标识码：ATrajectoryDesignforReusableLaunchVehiclesB

3、asedonPseudo-spectralMethodLiYongyuan,ShiJianbo,ZhangXuemei,LiHongbo(Research&DevelopmentCenter,ChinaAcademyofLaunchVehicleTechnology，Beijing,100076)Abstract:Toobtainthereentrytrajectorywithminimumtotalheatabsorptionandwhichsatisfiedwithpathconstraints

4、andterminalconstraintsforReusableLaunchVehicles(RLV),theGaussPseudo-spectralMethod(GPM)wasappliedtoconvert3DOFentrytrajectoryoptimizationproblemtononlinearprogrammingproblem,andstatevariablesandcontrolvariablesofGaussnodewereselectedasoptimalparameters

5、.Thepathconstraintsincludetheheatfluxpeakonstagnationpoint,maximumdynamicpressure,overloadandcontrolvariablesconstraints.Theterminalconstraintsincludethevehicle'sheightandvelocity.Theattackangleandinclinationanglearechosenasoptimalcontrolvariables.Thes

6、imulationresultsindicatethatGPMwerenotsensitivetoguessvalueofstateandarithmeticwaseasilyconvergence,whichissuitableforsolvingtheproblemoftrajectoryoptimization.KeyWords:Gausspseudo-spectralmethod;Reusablelaunchvehicles;Trajectorydesign;Trajectoryoptimi

7、zation0引言复使用运载器的再入方式就是升力式再入。升力式再再入飞行器从大气层外返回大气层的轨迹形式可入飞行器较弹道-升力再入飞行器具有更好控制能力分为零升力再入（又称弹道式再入）和有升力再入，与着陆精度，具有横、纵向数百公里的调节能力。有升力再入又细分为弹道-升力式再入（即小升阻比再轨迹优化是再入任务设计中的关键一环。根据数入，L/D≤0.3～0.5）与升力式再入。值求解方法的不同，轨迹优化技术一般分为直接法和采用弹道-升力式再入的飞行器，其质心不是配置间接法。在飞行器的中心轴线上，而是配置在

8、偏离纵轴线一小对于复杂的轨迹优化问题，直接法是首选方法，段距离的地方，飞行器以配平攻角飞行。弹道-升力式因为其不需要典型的最优必要条件的解析表达式，也再入飞行器具有一定的横向调节能力（约50km）和纵不需要伴随变量的初始猜测值。该方法将轨迹优化问向调节能力（约100km）。当飞行器升阻比大于0.7时题转换为非线性规划问题，通过其求解技术（如连续即可称为升力式再入过程，航天飞机、X-37B等可重二次型规划）求解。收稿日期：2012-09-07；修回日期：2013-03-