空天飞行器上升轨迹优化

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1、第42卷第6期2012年11月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．42No．6Nov．2012空天飞行器上升轨迹优化张凯，石文，郑安波，付义伟(中国航天空气动力技术研究院，北京100074)摘要：飞行器轨迹优化是一类最优控制问题，传统的优化方法存在对初值敏感的缺陷。采用一种组合优化方法，对空天飞行器的上升轨迹进行优化。首先用遗传算法对直接打靶法离散的非线性规划问题进行全局寻优，得到初步优化结果，然后以该结果作为初值，用序列二次规划法对伪谱法离散的非线性规划问题进行局部寻优，得到最终的优化结果。结果表明，组合优化方法既解决了初值敏感问题

2、，又有较高的优化精度，可以有效求解轨迹优化问题。关键词：空天飞行器；轨迹优化；遗传算法；伪谱法中图分类号：v41l文献标识码：A文章编号：1671—654X(2012)06—0062．03AscentTrajectoryOptimizationofAerospaceVehicleZHANGKai，SHIWen，ZHENGAn—bo，FUYi-wei(ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics，Be咖ng100074，China)Abstract：Thetrajectoryoptimizationproblemisakindofoptimalcontr

3、olproblem．Conventionaldirectandindirectmethodsaxesensitivetotheinitialvalues．Inordertooptimizetheascenttrajectoryofaero—spacevehicle，acombinedoptimizationmethodwasused．First，directshootingmethodwasusedtoconvertthetrajectoryoptimizationproblemintoanonlinearprogramming(NLP)problem，andthentheNL

4、Pproblemwassolvedbygeneticalgorithmtogetinitialguesses．Second，pseudospectralmethodWasusedtotransformthetrajectoryoptimizationproblemintoaNLPproblem，andthensequentialquadraticpro—grammingwasusedtosolvetheNLPproblemwithinitialvaluesfromgeneticalgorithm．Itisshownthatthecombinedmethodiseffective

5、forthesolutionoftrajectoryoptimization．Keywords：aerospacevehicle；trajectoryoptimization；geneticalgorithm；pseudospectralmethod引言空天飞行器是航空航天飞行器的简称，集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身，既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入轨道运行，兼有航空和航天两种功能，具有广阔的军事应用前景。目前在研的空天飞行器有单级型和两级型两种，单级型以美国的“国家空天飞机”和英国的“霍托尔”(HOTOL)为典型代表，两级型以德国的“桑格尔”(SANGER)为典

6、型代表⋯。轨迹优化是空天飞行器研究的关键技术之-，本文采用组合方法，对一种水平起降、两级人轨空天飞行器的二级上升段轨迹进行优化。1上升轨迹优化问题描述轨迹优化问题是一个非线性、带有状态约束和控制约束的最优控制问题，可以描述为Ⅲ：寻找控制变量“(t)，最小化目标函数：J=咖(石(％)，to，x(0)^)+J。L(x(t)，u(t)，t)dt(1)Jto状态变量戈(t)满足动力学微分方程：菇(t)=以菇(￡)，u(t)，t)(2)t。时刻的初始条件：币(戈(to)，to)=0(3)tr时刻的终端条件：咖(x(#r)，tj)=0(4)路径约束：C(z(t)，u(￡)，t)≤0(5)同

7、时考虑状态变量约束和控制变量约束：zL≤石(t)≤茗E，(6)U￡≤u(t)≤“u(7)本文对SANGER二级的上升段轨迹进行优化，即从高度35km、速度6．7Ma爬升进入450km的圆形轨道，动力装置为液体火箭，有效载荷为7t[3]，寻找最收稿日期：2012—09—02作者简介：张凯(1987一)，男，湖北大悟人，硕士，主要研究方向为飞行器总体设计。2012年11月张凯等：空天飞行器上升轨迹优化·63·优推力矢量控制，使空天飞行器燃料消耗量最小。空天飞行器基于笛卡尔地心惯性坐标系的动力学方