考虑多种约束的探月飞船跳跃式再入走廊优化设计

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1、第２０卷第５期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．５２０１４年９月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＳｅｐ．２０１４考虑多种约束的探月飞船跳跃式再入走廊优化设计杜昕，李海阳，沈红新（国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙４１００７３）摘要：探月飞船升阻比较低，再入时为达到长的飞行纵程，必须采用跳跃式再入方式。考虑多种约束条件，对跳跃式再入走廊进行了优化设计。首先，对路径约束进行分析，根据跳跃式再入轨迹的动力学特性对轨迹进行分段，推导了关键段中路径约束间的解析关系式，并在此基础上对优化问题进行了简化；其次，对滚转角速度约束进行分析，通过选择合理的离散点个数来保证角速度约束的满足；最后，为保证结

2、果的高精度与全局最优性，采用两层优化策略进行求解，先利用高斯伪谱法得到控制变量初值，再将初值代入直接打靶法中计算得到最终结果。仿真结果表明：路径约束分析结果与优化结果保持一致，可在一定程度上简化优化问题；对滚转角速度约束的处理简单有效；两层优化策略能使问题快速收敛到满足约束的高精度解。关键词：跳跃式再入走廊；路径约束；滚转角约束；两层优化策略中图分类号：Ｖ４１２畅４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０５-０４４３-０６SkipEntryCorridorDesignforLunarModuleConsideringMultipleConstraintsＤＵＸｉｎ，Ｌ

3、ＩＨａｉｙａｎｇ，ＳＨＥＮＨｏｎｇｘｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｆｏｒｌｕｎａｒｍｏｄｕｌｅｗｉｔｈｌｏｗｌｉｆｔ-ｔｏ-ｄｒａｇｒａｔｉｏ，ｓｋｉｐｅｎｔｒｙｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｍｕｓｔｂｅｆｌｏｗｎｔｏａｃｈｉｅｖｅｌｏｎｇｄｏｗｎｒａｎｇｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｋｉｐｅｎｔｒｙｃｏｒｒｉｄｏｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｍｕｌｔｉ-ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Ｆｉｒｓｔ

4、，ｐａｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎａｌｙｔｉｃｒｅｌａｔｉｏｎｓａｍｏｎｇｔｈｅｍｗｅｒｅｆｏｒｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｆｅａｔｕｒｅｏｆｓｋｉｐｅｎｔｒｙｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ．Ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｍａｄｅｔｏｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｐｒｏｂｌｅｍ．Ｓｅｃ-ｏｎｄ，ｂａｎｋｒａｔｅａｎｄｂａｎｋａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｎｋｒａｔｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｕｌｄｂｅｓａｔｉｓ-ｆｉｅｄｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｉｓｃｒｅｔｅｐｏｉｎｔｓｗａｓｃｈｏｏｓｉｎｇ

5、ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ．Ｔｈｉｒｄ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｂｏｔｈｔｈｅｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍａｌｉｔｙａｎｄｈｉｇｈ-ａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｔｗｏ-ｌｅｖｅｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＩｎｉｔｉａｌｇｕｅｓｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｖａｒｉａｂｌｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇＧａｕｓｓｐｓｅｕｄｏｓｐｅｃｔｒａｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｒｅ-ｓｕｌｔｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｄｉｒｅｃｔｓｈｏｏｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌ

6、ｔｓａｒｅｉｎｇｏｏｄａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐａｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｂａｎｋｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｅｎ-ｆｏｒｃｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｖａｌｉｄａｎｄｅａｓｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｏｐｔｉｍｉｚａ-ｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｃａｎｏｂｔａｉｎｈｉｇｈ-ａｃｃｕｒａｃｙｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｙａｌｌｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ．Keywords：ｓｋｉｐｅｎｔｒｙｃｏｒｒｉｄｏｒ；ｐａｔｈｃｏｎｓｔｒａｉ

7、ｎｔｓ；ｂａｎｋｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ；ｔｗｏ-ｌｅｖｅｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ设计是一项非常重要的工作，直接关系到飞船能１引言否安全返回。探月飞船返回地球时，将以接近第二宇宙速与升力式再入不同的是，飞船等低升阻比飞［３］度的高速再入大气层。由于探月飞船升阻比较行器的再入走廊一般采用再入角范围来定义。低，为覆盖长的飞行纵程，必须采用跳跃式再再入走廊的求解可以在返回轨道设计时，通过蒙［１-２］［４］入。在任务的总体设计阶段，再入走廊的优化特