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返回式飞行器的过渡轨道优化研究

作　者: 袁宴波
导　师: 耿云海
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 返回式飞行器轨道优化遗传算法
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文主要对返回式飞行器的最优过渡轨道进行了研究。根据返回任务类型的不同,对返回轨道的要求和约束也不同。本文研究的是返回式飞行器在给定的时间内返回到给定的落点并且对落点速度有约束的情况。返回式飞行器的返回轨道可分为过渡段和再入段。本文假设在过渡段飞行器使用推力大小为几十牛的小推力发动机进行轨道机动,再入段采用弹道式再入。本文采用遗传算法与经典优化方法相结合的组合优化策略求解小推力轨道优化问题,对返回式飞行器的过渡轨道进行了优化计算。文中建立了惯性坐标系中极坐标形式的飞行器的运动方程并对方程进行了归一化。在最优控制理论的基础上,建立了时间最短过渡轨道和终端时刻固定的燃料最省过渡轨道的最优控制模型,分析了最优轨迹的充分必要条件以及待解决问题的初始和终端条件,将问题转化为两点边值问题。本文采用组合优化策略求解两点边值问题。利用遗传算法的全局优化特性,结合局部搜索算法(单纯型法),形成了本文的组合优化方法。采用浮点数编码的遗传算法,设计了选择、交叉、变异等遗传算子,选取了合理的算法控制参数,并通过算例验证了算法的可行性。最后,将本文的组合优化方法应用于返回式飞行器过渡轨道的优化。由于再入点速度和再入角决定了过渡段的终端状态,并且会影响到过渡段的能量消耗和落点速度的大小,所以将再入点速度和再入角也作为优化参数,得出了固定时间下满足落点速度约束的燃料最省的过渡轨道。仿真结果表明,应用遗传算法和经典优化方法相结合的方式求解轨道优化问题,可以很好地克服传统优化方法的初值敏感问题,能够搜索到全局最优的轨道。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题目的与意义  8-10
  1.2 国内外研究现状综述  10-15
    1.2.1 轨道优化问题综述  10-12
    1.2.2 轨道优化方法综述  12-15
  1.3 本文主要研究内容  15-17
第2章轨道动力学模型  17-24
  2.1 轨道动力学模型  17-21
    2.1.1 过渡段动力学模型  17-19
    2.1.2 再入段动力学模型  19-21
  2.2 模型归一化  21-22
  2.3 本章小结  22-24
第3章过渡轨道最优控制模型  24-35
  3.1 最优控制问题一般提法  24-28
    3.1.1 受控系统的数学模型  24
    3.1.2 目标集  24-25
    3.1.3 容许控制  25
    3.1.4 性能指标  25-28
  3.2 过渡轨道的最优控制描述  28-34
    3.2.1 时间最短过渡轨道的最优控制模型  29-32
    3.2.2 燃料最省过渡轨道的最优控制模型  32-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章基于遗传算法的轨道优化方法研究  35-54
  4.1 遗传算法的基本原理  36-38
  4.2 应用遗传算法实现轨道优化  38-50
    4.2.1 确定优化参数  38-39
    4.2.2 参数编码  39-40
    4.2.3 适应度函数  40-41
    4.2.4 遗传算子  41-44
    4.2.5 组合优化策略  44-45
    4.2.6 算法终止条件  45
    4.2.7 算法控制参数  45-46
    4.2.8 约束条件的处理  46-47
    4.2.9 算法步骤  47-50
  4.3 仿真算例  50-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章最优过渡轨道仿真及分析  54-73
  5.1 再入段的计算  54-55
  5.2 最短过渡时间的确定  55-60
  5.3 过渡轨道优化计算及分析  60-71
    5.3.1 落点为M_1  61-65
    5.3.2 落点为M_2  65-71
  5.4 本章小结  71-73
结论  73-74
参考文献  74-79
致谢  79

返回式飞行器的过渡轨道优化研究

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