一种飞行演示器的上升段轨迹优化及仿真研究

摘要

飞行器的轨迹设计受到各种约束条件的限制，包括轨迹约束、状态约束、控制量约束和终端约束，飞行环境参数变化剧烈，使得一般的轨迹设计方法不容易满足要求，必需采用轨迹优化设计方法，使其满足各种过程约束和终端约束。
　　 本文以一种构想的飞行演示器为研究对象，进行了上升段轨迹优化设计方法的研究和仿真，主要内容如下：
　　 首先，分析了美国典型飞行器的飞行轨迹，总结了其上升段轨迹特点，通过分析提出了飞行器上升段飞行面临所面临的多种约束条件，包括动压、过载、攻角、热流等，这些约束条件构成了飞行器上升段的飞行走廊；
　　 其次，研究了最优控制相关理论及其在飞行器轨迹优化领域中的应用，通过对其求解方法进行研究归纳；结合飞行器轨迹优化设计问题的特点确定了适合的数值解法。
　　 然后，根据上述两部分研究成果及飞行动力学相关知识，建立了一种构想的飞行演示器的数学模型，数学模型主要包括：纵向质点动力学模型，最优控制模型及非线性规划模型。并对飞行演示器的数学模型进行了分析和转换，使其易于使用最优控制理论进行求解。在此基础上，采用基于非线性规划方法的序列二次规划算法设计了飞行演示器的上升段飞行轨迹。
　　 最后，对轨迹设计进行了仿真验证。针对采用线性多项式进行控制量参数化的参数化方法一，和采用三次曲线拟合控制量参数的参数化方法二，分别进行了数学仿真，给出了两种参数化设计方法的优劣。在此基础上，还简要介绍了传统轨迹设计方法，并采用传统轨迹设计方法与两种参数化设计方法进行了对比。通过对比可以得出，使用轨迹优化算法能够较好的满足飞行演示器飞行面临的轨迹约束、状态约束、控制量约束和终端约束。