降低航天發(fā)射成本是整個航天工業(yè)界所面臨的主要挑戰(zhàn)之一,而實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用是降低發(fā)射成本的重要措施。近年來,隨著美國私人航天公司SpaceX推出的垂直起降(VTVL,Vertical Takeoff and Vertical Landing)運(yùn)載火箭成功實(shí)現(xiàn)了一級火箭回收和重復(fù)使用,VTVL已被證明是一種可行的火箭回收技術(shù)途徑。軌跡設(shè)計(jì)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制是VTVL回收的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),而軌跡優(yōu)化是軌跡設(shè)計(jì)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)的核心方法之一。本文主要針對VTVL運(yùn)載火箭動力軟著陸過程,圍繞復(fù)雜約束軌跡優(yōu)化、軌跡優(yōu)化收斂性和實(shí)時性問題展開了一系列研究,建立了整體表達(dá)、聯(lián)立求解、在線計(jì)算的軌跡優(yōu)化技術(shù)框架。本文研究內(nèi)容可分為軌跡設(shè)計(jì)和計(jì)算制導(dǎo)兩部分,主要的研究成果為1.復(fù)雜約束下VTVL運(yùn)載火箭最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)聯(lián)立計(jì)算框架。聯(lián)立計(jì)算框架采用基于有限元正交配置(OCFE,Orthogonal Collocation on Finite Elements)的聯(lián)立法對構(gòu)建的最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)問題進(jìn)行全聯(lián)立離散化,利用原-對偶內(nèi)點(diǎn)算法求解離散化得到的非線性規(guī)劃(NLP,Nonlinear Programming)問題。針對VTVL運(yùn)載火箭飛行全過程三自由度最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)問題,基于聯(lián)立計(jì)算框架進(jìn)行求解,為增強(qiáng)軌跡優(yōu)化問題求解收斂性,設(shè)計(jì)了啟發(fā)式初始化策略。針對VTVL運(yùn)載火箭動力軟著陸六自由度最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)問題,為進(jìn)一步提升軌跡優(yōu)化問題解的精度和最優(yōu)性,在聯(lián)立計(jì)算框架的基礎(chǔ)上提出了基于非配置點(diǎn)的離散化誤差估計(jì)和哈密爾頓函數(shù)的自適應(yīng)離散化網(wǎng)格精細(xì)化算法,該算法可精確定位推力大小跳變點(diǎn)。2.VTVL運(yùn)載火箭動力軟著陸滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架。為克服動力軟著陸過程的一系列不確定性,提出了滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架。首先建立了考慮計(jì)算時延的基礎(chǔ)滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架,為了減少軌跡優(yōu)化計(jì)算時延對制導(dǎo)性能的影響,提出了基于NLP靈敏度的預(yù)測校正算法。預(yù)測算法利用當(dāng)前采樣時刻的實(shí)際火箭狀態(tài)來預(yù)測下一采樣時刻的火箭狀態(tài),并在當(dāng)前采樣周期內(nèi)計(jì)算從下一采樣時刻的預(yù)測火箭狀態(tài)到著陸點(diǎn)的最優(yōu)軌跡。校正算法則基于NLP靈敏度對當(dāng)前采樣時刻的預(yù)測火箭狀態(tài)到著陸點(diǎn)的最優(yōu)軌跡進(jìn)行在線校正來生成當(dāng)前采樣時刻的實(shí)際火箭狀態(tài)到著陸點(diǎn)的軌跡。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的預(yù)測校正滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架的有效性。3.VTVL運(yùn)載火箭動力軟著陸快速軌跡優(yōu)化算法�；A(chǔ)滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架和預(yù)測校正滾動時域軌跡優(yōu)化計(jì)算制導(dǎo)框架都需要在采樣周期內(nèi)完成軌跡優(yōu)化計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明縮短采樣周期可以提升制導(dǎo)性能,對軌跡優(yōu)化問題的求解實(shí)時性提出了要求。因此,本文結(jié)合聯(lián)立法和凸化方法提出了VTVL運(yùn)載火箭動力軟著陸快速軌跡優(yōu)化算法。首先利用無損凸化方法對推力約束進(jìn)行凸化,然后利用基于OCFE的聯(lián)立法和序列凸化算法將求解原軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解一系列二階錐規(guī)劃問題,引入虛擬控制和信賴域策略來增強(qiáng)序列凸化的收斂性,并設(shè)計(jì)了序列凸化初始化策略。該算法充分利用了聯(lián)立法離散化精度高、數(shù)值穩(wěn)定性好以及凸優(yōu)化問題求解快速性、收斂確定性的理論基礎(chǔ)。4.動力軟著陸軌跡優(yōu)化方法在深空探測中的拓展。針對月球表面VTVL轉(zhuǎn)移最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)問題,利用聯(lián)立計(jì)算框架進(jìn)行求解。設(shè)計(jì)了同倫回溯策略來增強(qiáng)軌跡優(yōu)化問題求解收斂性,并利用提出的自適應(yīng)離散化網(wǎng)格精細(xì)化算法來提升解的精度、最優(yōu)性以及精確定位推力大小跳變點(diǎn)。針對火星表面多點(diǎn)動力軟著陸在線軌跡優(yōu)化問題,提出了基于NLP靈敏度和改進(jìn)的K-means聚類算法的多點(diǎn)動力軟著陸在線軌跡優(yōu)化算法。該算法利用NLP靈敏度對探測器到每個候選著陸點(diǎn)的燃料消耗進(jìn)行在線估計(jì),并利用改進(jìn)的K-means聚類算法對候選著陸點(diǎn)進(jìn)行聚類來提高燃料消耗估計(jì)精度。算法在完成最佳著陸點(diǎn)選擇后可基于估計(jì)軌跡快速生成到所選著陸點(diǎn)的最優(yōu)軌跡。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V448.1
【部分圖文】：

２０００Ｂｌｕｅ?ＯｒｉｇｉｎＶＴＶＬＲＬＶ，??主要定位是提供私人太空旅行服務(wù)。該公司早期研發(fā)了兩個飛行驗(yàn)證平臺Ｃｈａｒｏｎ??和Ｇｏｄｄａｒｄ進(jìn)行低空ＶＴＶＬ飛行試驗(yàn)。Ｃｈａｒｏｎ于２００５年３月成功完成了?ＶＴＶＬ??測試，Ｃｈａｒｏｎ飛到９６．３?ｍ的高度后下降完成垂直著陸。Ｇｏｄｄａｒｄ于２００６年１１月??也成功進(jìn)行了?ＶＴＶＬ飛行試驗(yàn)。Ｂｌｕｅ?Ｏｒｉｇｉｎ的第一個亞軌道ＶＴＶＬ火箭是采用??ＢＥ－３液氫／液氧火箭發(fā)動機(jī)的“新謝潑德”火箭＾１，“新謝潑德”火箭由助推級和一??個太空艙組成。２０１５年４月進(jìn)行的第一次發(fā)射中，太空艙成功通過降落傘回收，??而助推級則由于液壓故障，導(dǎo)致不受控的下降和墜毀。２０１５年１１月逬行第二次??發(fā)射，并在飛到高度１００．５?ｋｍ（超過卡門線）后，成功實(shí)現(xiàn)助推級的垂直軟著陸，??這標(biāo)志著世界上首次完成亞軌道ＶＴＶＬ?ＲＬＶ箭體的垂直軟著陸回收。２０１６年１??月首次實(shí)現(xiàn)箭體助推級的復(fù)用，并再次成功回收。２０１６年９月，ＢｌｕｅＯｒｉｇｉｎ公??布正在研發(fā)的重型ＶＴＶＬＲＬＶ“新格倫’’（ＮｅｗＧｌｅｎｎ）火箭。“新格倫”火箭具有兩級??構(gòu)型，一級火箭由７臺ＢＥ－４液氧／甲烷發(fā)動機(jī)提供動力，通過垂直著陸回收［４２］。??

（ａ）?（ｂ）??圖１．４?（ａ）“新謝潑德”火箭和（ｂ）“新格倫”火箭??２００２年創(chuàng)立的ＳｐａｃｅＸ研發(fā)了’’獵鷹”系列ＶＴＶＬ?ＲＬＶ和“龍’’（Ｄｒａｇｏｎ）系列飛??船，主要提供地球軌道發(fā)射服務(wù)。公司旨在降低航天運(yùn)輸成本和實(shí)現(xiàn)火星移民，??多年來以其低廉的發(fā)射成本、高可靠的飛行性能和多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)成為國際航天發(fā)??６??

的焦點(diǎn)［５３］。??ＶＴＶＬ運(yùn)載火箭在返回著陸過程中需要經(jīng)歷姿態(tài)調(diào)整段、動力修航段、高空??滑行段、動力減速段、大氣減速段和動力著陸段這幾個階段［２］。如圖１．７所示，??動力修航段對火箭在上升過程中逐漸增大的軌跡偏差進(jìn)行修正，使火箭朝向著陸??位置�；鸺谶M(jìn)入大氣層期間受到風(fēng)和大氣不確定性影響，軌跡偏差再次增大，??火箭垂直著陸前的動力軟著陸過程是對軌跡偏差進(jìn)行修正的最后機(jī)會�；鸺趧�??力軟著陸過程需要一定的平移機(jī)動能力來實(shí)現(xiàn)精確軟著陸［４３］。因此動力軟著陸作??為火箭返回著陸的最后階段對于回收至關(guān)重要。??９??
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本文編號：2855279