高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2021.08.25

系统工程与电子技术 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (8): 2232-2243.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2021.08.25

高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化

岳彩红¹, 唐胜景¹, 郭杰^1,*, 王肖², 张浩强³

1. 北京理工大学宇航学院, 北京 100081
2. 中国运载火箭技术研究院战术武器事业部, 北京 100076
3. 中国北方工业有限公司, 北京 100053

收稿日期:2020-12-09 出版日期:2021-07-23 发布日期:2021-08-05
通讯作者: 郭杰
作者简介:岳彩红(1994—), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为飞行器总体设计、飞行器系统动力学与控制|唐胜景(1959—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为飞行器总体设计、飞行器系统动力学与控制|郭杰(1981—), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为飞行器总体设计、飞行器系统动力学与控制|王肖(1992—), 男, 工程师, 博士, 主要研究方向为飞行器总体设计、飞行器系统动力学与控制|张浩强(1989—), 男, 工程师, 博士, 主要研究方向为飞行器总体设计
基金资助:
国家自然科学基金(11572036)

Reentry trajectory rapid optimization for hypersonic telescopic deformable vehicle

Caihong YUE¹, Shengjing TANG¹, Jie GUO^1,*, Xiao WANG², Haoqiang ZHANG³

1. School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2. Tactical Weapons Division, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China
3. China North Industries Corporation, Beijing 100053, China

Received:2020-12-09 Online:2021-07-23 Published:2021-08-05
Contact: Jie GUO

摘要/Abstract

摘要：

针对高超声速变形飞行器再入轨迹优化问题, 研究了一种基于改进高斯伪谱法(Gauss pseudospectral method, GPM)的快速优化方法。首先，针对一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器, 建立了将展长变形量扩展成为控制变量的再入轨迹优化模型。其次, 采用GPM将轨迹优化问题转化为非线性规划(nonlinear programming, NLP)问题, 并基于NLP偏导数的稀疏性推导目标函数梯度和约束Jacobian矩阵的高效计算方法。最后, 优化求解了变形飞行器的最大横向航程、再入可达区、最大终端速度和最小飞行时间。仿真结果表明, 推导的梯度计算方法可有效提高优化求解效率, 变形飞行器相对于固定外形飞行器的性能更加优越, 最大横向航程、可达区覆盖范围、最大终端速度和最小飞行时间等指标均有显著提升。

关键词: 高超声速飞行器, 变形飞行器, 轨迹优化, Gauss伪谱法, 稀疏性

Abstract:

Aiming at the reentry trajectory optimization problem for hypersonic deformable vehicle, a fast optimization method based on improved Gauss pseudospectral method (GPM) is studied. Firstly, a reentry trajectory optimization model is established for a hypersonic deformable vehicle with retractable wing, which extends the span deformation as a control variable. Secondly, the GPM is used to transcribe the trajectory optimization problem into a nonlinear programming (NLP) problem, and based on the sparsity of the NLP partial derivative, the objective function gradient and the constrained Jacobian matrix are calculated efficiently. Finally, the maximum lateral range, reentry reachable area, maximum terminal speed and minimum flight time of the deformed aircraft are optimized. The simulation results show that the derived gradient calculation method can effectively improve the optimization solution efficiency. The performance of the deformed aircraft is better than that of the fixed-shape vehicle, and the maximum lateral range, reach area coverage, maximum terminal speed and minimum flight time have all been significantly improved.

Key words: hypersonic vehicle, deformable vehicle, trajectory optimization, Gauss pseudospectral method (GPM), sparsity

中图分类号:

V448.235

岳彩红, 唐胜景, 郭杰, 王肖, 张浩强. 高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化[J]. 系统工程与电子技术, 2021, 43(8): 2232-2243.

Caihong YUE, Shengjing TANG, Jie GUO, Xiao WANG, Haoqiang ZHANG. Reentry trajectory rapid optimization for hypersonic telescopic deformable vehicle[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43(8): 2232-2243.

图/表 29

图1

表1

表2

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参考文献 30

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升力系数	原外形	变形1	变形2	阻力系数	原外形	变形1	变形2
p₀	0.121	0.213 5	0.190 3	q₀	0.037 72	0.065 33	0.090 67
p₁	-0.017 4	-0.035 6	-0.034 7	q₁	0.005 36	0.001 05	-0.002 6
p₂	0.403 2	1.25	2.243	q₂	-0.679 1	-0.642 1	-0.674 7
p₃	0.000 58	0.001 33	0.001 35	q₃	-0.000 3	-0.000 2	-0.000 1
p₄	0.005 9	-0.012 2	-0.035	q₄	0.009 98	0.003 22	0.001 92
p₅	6.137	5.128	4.998	q₅	4.398	4.972	5.834
RS系数	0.988 9	0.990 9	0.985 2	RS系数	0.944 6	0.986 3	0.993 2

参数	初始	终端
高度h/km	60	30
经度λ/(°)	0	自由
纬度ϕ/(°)	0	自由
速度V/(m·s^-1)	6 000	2 000
航迹角θ/(°)	0	自由
航向角ψ/(°)	90	自由

目标函数	配点数目	NLP计算方法	耗时/s
最大纬度	10	本文方法	24.31
	10	有限差分法	739.02
	20	本文方法	23.44
	20	有限差分法	2 031.21
最大速度	10	本文方法	38.40
	10	有限差分法	1 199.03
	20	本文方法	37.39
	20	有限差分法	2 810.08
最小飞行时间	10	本文方法	12.80
	10	有限差分法	446.76
	20	本文方法	33.89
	20	有限差分法	2 711.35

飞行器类型	经度/(°)	纬度/(°)	航程/km
变形飞行器	38.66	38.94	5 855.6
固定外形飞行器	31.87	25.58	4 453.1

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