文章面向空基發(fā)射入軌任務(wù),對配置超燃沖壓發(fā)動機的可返回高超聲速巡航飛行器的軌跡優(yōu)化問題進(jìn)行了構(gòu)建和求解。首先應(yīng)用分步優(yōu)化的策略,將整個軌跡設(shè)計問題分為巡航段優(yōu)化和剩余段優(yōu)化兩步依次進(jìn)行:第一步以巡航機械能最高為優(yōu)化目標(biāo),針對巡航段軌跡進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化,得到最優(yōu)初始巡航狀態(tài);第二步以此為巡航段入口條件,針對剩余段軌跡進(jìn)行駐點峰值熱流最小、軌跡振蕩最小的二維多目標(biāo)優(yōu)化。然后對各段飛行軌跡的優(yōu)化模型進(jìn)行了定義,包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件三要素。其中,第一步巡航段單目標(biāo)優(yōu)化采用序列二次規(guī)劃法,第二步剩余段多目標(biāo)優(yōu)化采用第三代直接搜索域的經(jīng)典方法。最后,結(jié)合一個優(yōu)化算例,求解得到巡航段優(yōu)化解和剩余段的多目標(biāo)優(yōu)化Pareto前緣點集。對該點集的分布特性進(jìn)行了分析,并給出了軌跡設(shè)計解的選擇建議,為實際工程設(shè)計提供參考。 

【文章來源】：航天返回與遙感. 2020,41(03)CSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

飛行剖面Fig.1Flightprofile

第3期王開強等:可返回高超聲速巡航飛行器軌跡分步與多目標(biāo)優(yōu)化25圖4中位于最左上方的Pareto點對應(yīng)于駐點峰值熱流Qsm最小的單目標(biāo)優(yōu)化解，最右下方的Pareto點則對應(yīng)于軌跡振蕩程度Δγsum最小的單目標(biāo)優(yōu)化解。兩者的對比如圖5所示，主要軌跡參數(shù)如表4所示。（a）高度（a）Altitude（b）駐點熱流（b）Heatfluxatthestagnationpoint（c）飛行攻角（c）Angleofattack圖5兩個軌跡優(yōu)化解對比Fig.5Comparisonofthetwooptimaltrajectories表4軌跡參數(shù)Tab.4Trajectoryparameters參數(shù)Qsm最優(yōu)解Δγsum最優(yōu)解Δγsum/（°）136.988.0最大動壓/kPa107.2123.1最大過載3.753.82Qsm/(MW/m2)4.0844.468maxmincrcrMaMa0.020.02maxmincrcr/（°）0.030.04mincr/（°）0.100.00hf/km3.03.0vf/(m/s)179.9188.6γf/（°）-17.0-16.8xf/km10351046

慮：1）從飛行任務(wù)層面，空基發(fā)射入軌任務(wù)中，巡航段是最主要的飛行階段，入軌飛行器的空基投放就是在該段完成。因此，巡航軌跡與飛行主任務(wù)直接相關(guān)，應(yīng)首先予以優(yōu)化確定。2）從軌跡優(yōu)化步驟層面，剩余飛行段的軌跡優(yōu)化須基于巡航飛行狀態(tài)進(jìn)行。其中爬升滑行段需要初始巡航飛行狀態(tài)作為其軌跡優(yōu)化的終端狀態(tài)約束，從而在該段結(jié)束時順利轉(zhuǎn)入高超聲速巡航飛行；而返回段的軌跡優(yōu)化則需要以巡航段結(jié)束時刻的飛行狀態(tài)作為狀態(tài)變量的初始值。因此，巡航飛行狀態(tài)也是其它飛行段軌跡優(yōu)化的前提基矗整個軌跡分步多目標(biāo)優(yōu)化的流程如圖2所示。首先對巡航段飛行軌跡進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，得到最優(yōu)巡航初始飛行狀態(tài)參數(shù)。然后基于此進(jìn)行剩余段的軌跡多目標(biāo)優(yōu)化，其首先根據(jù)最優(yōu)初始巡航狀態(tài)進(jìn)行爬升滑行段的軌跡優(yōu)化；然后進(jìn)行巡航段飛行仿真，得到巡航段結(jié)束時刻的飛行狀態(tài)參數(shù)；最后基于此進(jìn)行返回段的軌跡優(yōu)化，最終得到整個飛行軌跡。圖2分步軌跡優(yōu)化流程Fig.2Procedureofmultisteptrajectoryoptimization優(yōu)化算法方面，第一步巡航段軌跡單目標(biāo)優(yōu)化采用序列二次規(guī)劃算法（SequentialQuadraticProgramming，SQP）；第二步剩余段則采用經(jīng)典多目標(biāo)優(yōu)化方法中的第三代直接搜索域法DSD-III[20-21]。2.3各段優(yōu)化目標(biāo)討論（1）巡航段優(yōu)化目標(biāo)巡航段的優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)于飛行任務(wù)級目標(biāo)。在本文針對的空基發(fā)射入軌任務(wù)中，為入軌飛行器提供更多的初始機械能是其追求的目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用邊界交叉法的高超聲速滑翔飛行器多目標(biāo)軌跡優(yōu)化[J]. 汪雷,葛健全,楊濤,豐志偉,李正楠.  國防科技大學(xué)學(xué)報. 2016(04)
[2]基于遺傳算法的平流層飛艇航跡規(guī)劃方法研究[J]. 吳雷,李勇,李智斌.  航天返回與遙感. 2011(01)
[3]高超聲速滑翔式飛行器再入軌跡多目標(biāo)多約束優(yōu)化[J]. 陳小慶,侯中喜,劉建霞.  國防科技大學(xué)學(xué)報. 2009(06)
[4]基于物理規(guī)劃的高超聲速飛行器滑翔式再入軌跡優(yōu)化[J]. 雍恩米,陳磊,唐國金.  航空學(xué)報. 2008(05)
[5]高超聲速飛行器最優(yōu)周期巡航軌跡優(yōu)化[J]. 馬輝,袁建平,方群.  飛行力學(xué). 2008(04)
[6]X43高超聲速飛行器的飛行熱走廊研究[J]. 金玲,王安齡,桂業(yè)偉,耿湘人,唐偉.  工程熱物理學(xué)報. 2007(02)

碩士論文
[1]吸氣式高超聲速飛行器軌跡優(yōu)化研究[D]. 張?zhí)?哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013



本文編號：3352281