能量优化分配再入轨迹快速规划方法.pdf
《能量优化分配再入轨迹快速规划方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《能量优化分配再入轨迹快速规划方法.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 卷第 期 年 月弹道学报 .收稿日期:作者简介:薛光伟()男博士研究生研究方向为飞行器轨迹规划与制导:.通信作者:辛万青()男研究员研究方向为飞行器总体设计:.:./.()能量优化分配再入轨迹快速规划方法薛光伟辛万青傅 瑜(.北京宇航系统工程研究所北京.中国运载火箭技术研究院北京)摘要:针对升力式飞行器再入过程中面临未知干扰与拦截的问题设计了一种再入飞行器的能量优化分配再入轨迹并提出了该轨迹的快速规划方法 首先将再入轨迹分为初始下降段、能量最优段和能量管理段设计了能量最优段按照最省能量方式飞行剩余能量集中在能量管理段消耗的飞行模式推导了能量管理段在平衡滑翔条件下完成能量管理所需最短轨迹长度
2、的解析表达式 然后设计了初始下降段和能量最优段规划方法提出了能量管理段和能量最优段平滑过渡迭代算法结合倾侧角翻转技术通过规划两次倾侧角翻转消除横向射程误差与航向角误差构建了能量管理段规划方法形成了能量优化分配再入轨迹一体化生成技术 最后对能量优化分配再入轨迹的性能和规划方法进行了仿真验证 结果表明提出的能量优化分配再入轨迹能够有效增大飞行器应对干扰拦截的能量裕度构建的快速规划方法能够快速完成轨迹规划具有较强的工程应用价值关键词:升力式飞行器能量优化分配射程解析解轨迹快速规划轨迹优化中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):().:()()().().:弹道学报第 卷 升力式再入飞行器是一
3、种由火箭发动机助推到一定高度、速度后利用气动升力在大气层内进行远距离无动力飞行的新型飞行器具有速度快、机动能力强、飞行距离远等优点受到各国的广泛关注 飞行器在再入过程中面临着诸多干扰包括参数和环境的不确定性、可能存在的敌对拦截需要不断进行轨迹调整甚至是博弈对抗 因此为了提高飞行器应对干扰拦截的能力、减小能量消耗合理规划飞行器能量沿再入轨迹的分布具有重要意义升力体再入轨迹规划最早起源于航天飞机的再入制导问题 等在 年详细介绍了航天飞机的轨迹规划方法首先基于热防护需求确定攻角速度剖面然后将过载、热流等约束转化为阻力加速度速度()剖面上的再入走廊在走廊内进行轨迹规划 这种规划方法被后续许多学者进一步
4、继承和发展 文献在 剖面内通过再入走廊的上下边界插值得到轨迹通过调节插值系数和倾侧角翻转位置满足射程和航向约束 文献直接在高度速度()剖面内进行规划考虑了飞行路径角的变化获得了更加准确和直观的轨迹 文献通过谱分解把能量变化曲线拟合为二次多项式推导得到模型解析解进而通过规划倾侧角幅值和翻转时机满足纵向约束与横侧向约束上述方法都需要预先确定攻角剖面采取可以解析计算的曲线形式曲线参数根据飞行热流约束确定文献基于准平衡滑翔条件推导了以航程为自变量的解析公式通过滑翔起、终点约束条件和禁飞区分布直接求解攻角倾侧角曲线 文献假设高度随能量线性变化将 剖面轨迹设计为二次函数将轨迹约束转化为攻角约束在约束范围内
5、通过调节攻角扩大再入走廊的范围 文献推导了射程、高度和速度的解析公式通过调整平衡滑翔的高度满足末端速度需求 文献提出的规划方法中攻角剖面的设计更加灵活但面临从再入起点开始就在为满足末端约束而调整轨迹的问题当目标射程小于最大可达射程时多余的能量将分散在再入全程消耗当飞行器遇到未知干扰拦截时前期消耗的能量将会降低其调节能力文献基于最优化理论和简化模型推导了存在禁飞区情况下耗能最小的飞行轨迹 文献针对升力飞行器全程轨迹优化问题提出了多种规划方法 文献中的轨迹能量优化以飞行过程能耗最小、终点速度最大为优化目标不适用于处理终点速度给定下的能量优化分配问题 文献研究了存在终点速度约束时的机动轨迹规划问题通
6、过对经由点位置和速度进行搜索规划优化了轨迹前后段的能量分配 这种方法通过神经网络对飞行器的机动能力进行预测预测的准确度取决于样本库与神经网络学习效果近年来越来越多的学者尝试将轨迹规划转化为轨迹优化问题通过数值方法进行求解 文献将轨迹分段利用分段高斯伪谱法对轨迹规划问题进行求解 文献利用伪谱法将轨迹规划离散为 问题后通过无损凸化技术将问题转化为凸优化问题提高了求解效率 文献针对二维平面内的简化模型通过引入指数衰减的信赖域宽度和惩罚系数上界改进了基于伪谱凸优化的弹道规划算法的稳定性 文献推导了高度和剩余射程的函数关系式将轨迹规划问题转为在特定剩余射程处的高度设计问题基于改进的粒子群算法设计了一种协
7、同轨迹的快速规划方法 这些数值方法通过合理设计优化目标能够得到满足特定性能需求的轨迹但针对飞行器复杂的非线性模型时求解算法的稳定性和快速性仍存在一定问题为提高飞行器应对未知干扰拦截的能力本文提出了一种能量优化分配轨迹()将 分为三段:初始下降段、能量最优段和能量管理段 与现有文献中的轨迹的主要区别在于不再把多余能量分散消耗到飞行全程而是集中在飞行后期的能量管理段从而使能量最优段具有尽可能多的能量应对干扰 本文设计了初始下降段、能量最优段的规划方法推导了能量管理段最短射程解析计算公式在此基础上提出了一种迭代算法用于求解能量最优段与能量管理段的平滑切换位置 最后构建了 一体化生成方法并通过仿真分析
8、验证了 对于干扰拦截的适应性以及所设计规划算法的有效性和快速性 再入模型与轨迹分段.再入数学模型考虑地球偏心率和自转的影响建立飞行器再入数学模型如下:第 期薛光伟等 能量优化分配再入轨迹快速规划方法()()()()()()式中:为相对大地的速度 为飞行路径角 为航向角 为从地心到飞行器质心的距离 为经度 为地心纬度 为飞行器质量为引力加速度沿地心矢径方向的分量为引力加速度沿地球自转角速度方向的分量为地球自转角速度 为气动阻力 为气动升力 为倾侧角气动阻力和升力的计算公式如下:.()式中:为飞行器参考面积、分别为气动阻力系数和气动升力系数 为大气密度可采用指数函数形式进行近似计算:(/)()式中
9、:为海平面大气密度常数 为飞行器海拔高度为标准高度.轨迹分段设计再入轨迹从再入点开始到下压段为止 本文提出的 将再入轨迹分为初始下降段()、能 量 最 优 滑 翔 段()和能量管理段()如图 所示 段为 飞行器在这一段从再入起始状态平稳过渡到滑翔飞行状态 段为 飞行器在该段按照能量最优轨迹飞行使得遇到未知干扰拦截时拥有更多能量用于调整轨迹 段为 飞行器在该段需消耗多余的能量调整状态至满足再入终点的射程、高度、速度及航向角约束图 能量优化分配轨迹分段示意图 在 阶段飞行高度较高大气密度小控制力较弱因此采用固定攻角和零倾侧角飞行模式同时为了尽快拉平轨迹为后续飞行创造较好的条件采用最大攻角飞行飞行器
10、在 段按照能量最优轨迹飞行 由文献可知当初、末能量确定时飞行器平衡滑翔射程主要取决于飞行过程中的升阻比升阻比越大射程越远 飞行器的能量在飞行过程中单调递减射程最远代表飞行过程中能量消耗最慢最大升阻比对应的轨迹为能量最优轨迹 因此 以最大升阻比攻角飞行 是再入轨迹的最后一个阶段其任务是调整飞行器的能量使其满足再入段到下压段的交班条件主要包括射程、高度、速度和航向角等方面的约束 为实现能量的优化分配 射程应尽可能长 需在最短的航程内完成能量耗散 因此 规划的核心是确定 和 的切换位置.能量管理段射程解析解为使 射程最长 射程需取最小值 最小射程的实质是在起、终点的高度和速度给定的条件下飞行器采用平
11、衡滑翔方式所能实现的最小射程为了分析 的射程对式()所示的再入模型进行一定简化 射程较短可近似忽略地球偏心率和自转 考虑到无动力飞行的过程中飞行器的能量单调递减且直观反映了飞行器的飞行能力选择能量作为自变量 以无穷远处为势能零点定义飞行器单位质量的能量:()弹道学报第 卷式中:为地球引力常数将能量对时间微分可得:()将式()代入式()忽略地球偏心率和自转的影响得到以能量为自变量的飞行器模型:()式中:为不考虑地球偏心率的地球引力加速度飞行器的轨迹长度微元 可分解在极坐标系的三个方向上并存在如下关系:()()()()将式()代入式()可化简得到轨迹长度相对于能量的微分:()假设 起点处的能量为
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 能量 优化 分配 再入 轨迹 快速 规划 方法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。