类星舰飞行器水平下降-垂直着陆轨迹实时优化问题研究
批准号:
62103014
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张冉
依托单位:
学科分类:
导航、制导与控制
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张冉
中文摘要
类星舰飞行器是一类新型完全可重复使用运载器,能够极大降低发射成本,是未来航天运输系统的重要发展方向。类星舰飞行器返回地球采用全新的水平下降-垂直着陆飞行方案。该飞行方案的大攻角气动减速、大角度姿态快速机动、气动力与推力“接力跑”式控制使得动力学出现强非线性、强耦合、多阶段特征,造成轨迹实时优化技术应用极大受限。为了解决该难题,本项目(1)提出一种面向轨迹实时优化的“N+M”自由度建模思想,建立N维水平下降和M维垂直着陆动力学模型,深度挖掘动力学的多阶段特征,揭示问题的最小阶描述规律;(2)提出一种处理强非线性、强耦合、多阶段动力学的邻近牛顿-康托维奇凸优化方法,建立邻近项自适应调节理论;(3)揭示动力学二阶信息对收敛稳定性与收敛速度的影响机理。通过本项目的研究,力争对水平下降-垂直着陆轨迹实时优化问题的数学建模、凸化求解、收敛机理建立全面认识,为类星舰飞行器的研制提供理论支撑。
英文摘要
Starship-type Vehicle (STV) is a new type of fully reusable launch vehicle, which can greatly reduce launch costs. The development of STV represents an important direction of space transportation system in the future. A unique Horizontal-Descent-Vertical-Landing (HDVL) flight scheme is adopted for STV to return to Earth. Due to the aerodynamic deceleration with a high angle-of-attack, rapid attitude maneuver, and ‘relay run’ sequential control of aerodynamic force and thrust, HDVL flight scheme is characterized by high nonlinearity, strong coupling, and multiphase dynamics, thus hindering the application of real-time trajectory optimization. To deal with this issue, this project (1) proposes a two-phase ‘N+M’ degree of freedom modeling methodology that establishes N and M dimensional dynamics models for the horizontal descent phase and the vertical landing phase respectively. By this way, the multiphase characteristics of dynamics are exploited, and as a result the minimum order description law of the HDVL flight scheme is obtained; (2) proposes a proximal-Newton-Kantorovich convex optimization approach to deal with the highly nonlinear, strongly coupled, and multiphase dynamics, and correspondingly developes the theory of adaptive adjustment for the proximal term; (3) demonstrates the effects of second-order dynamics information on both convergence stability and convergence speed. By virtue of this project, a comprehensive understanding of the mathematical modeling, convexification-based problem solving, and iteration convergence mechanism will be developed for the HDVL real-time trajectory optimization problem, which can provide theoretical support for the development of STV.
本项目以完全可重复使用运载火箭类星舰飞行器(Starship-Type Vehicle, STV)的“水平下降-垂直着陆”轨迹实时优化为研究主题,针对STV动力学最小阶描述、强非线性动力学迭代凸化以及基于动力学二阶信息的轨迹实时优化3个关键科学问题开展基础理论研究,构建了系统的STV着陆轨迹实时优化与自主制导方法体系。通过建立STV“N+M”自由度多阶段最优控制模型,结合对“水平下降-垂直着陆”问题的最优解特性分析,提出了适应复杂大气环境的气动力/推力复合控制原理,阐明了大攻角机动条件下轨迹奇异弧特性的演化规律,创新性地提出基于动力学二阶信息的实时优化框架以及基于终端不变性原理的干扰补偿最优制导方法,从理论上分析了STV强非线性动力系统轨迹规划的收敛性,提出了简单实用的收敛性判断准则。此外,在实时优化算法的数值仿真研究中发现:将轨迹实时优化方法应用于着陆制导时,不确定性条件下高增益最优反馈系数所导致的“控制发散问题”会大幅地降低终端制导精度,这将极大地增加安全着陆风险,该问题将作为后续研究工作的重点。.研究成果在《Journal of Guidance, Control, and Dynamics》《Acta Astronautica》《Chinese Journal of Aeronautics》《航空学报》《自动化学报》等本领域权威期刊发表。以基金为第一资助发表论文13篇(其中SCI收录8篇,EI收录4篇),其他标注论文2篇。其中,1篇论文获《张嗣瀛优秀青年论文奖》提名。1篇论文获《中国航空学报》亮点文章,1篇论文得到美国科学促进会(AAAS)专题报道,产生了一定的国际学术影响力。完成发明专利8项,培养博士后2人、博士8人、硕士6人,部分毕业生已成为航天科技集团核心技术骨干。研究的部分成果已应用于某型液体火箭着陆试验,该试验是国内较早验证大气层内实时着陆轨迹优化技术的飞行试验。此外,部分成果还应用于我国第四代运载火箭智慧飞行控制系统研制工作中。.项目按期完成全部研究目标,解决了强非线性、强耦合、多阶段的轨迹实时优化难题,建立了STV着陆轨迹实时优化与自主制导关键技术体系,为STV这一类具有大运载能力、低发射成本、跨域飞行的可重复使用运载火箭制导控制系统的设计提供理论依据和指导。
类星舰飞行器水平下降-垂直着陆轨迹实时优化问题研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:30万元
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批准年份:2021
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负责人:张冉
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依托单位:
国内基金
海外基金