运载火箭上升段动力故障自适应制导研究

发布时间：2017-08-09 02:02

  本文关键词：运载火箭上升段动力故障自适应制导研究

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【摘要】：现代运载火箭需要采用更强大的动力系统以满足运载能力的需求,但动力系统故障对发射任务的影响尤为严重,尤其是发动机发生故障时,传统基于标准轨迹的摄动制导方法难以修正较大幅度的轨迹偏差。为保证运载火箭在动力故障发生时能自主完成重构,确保运输任务的完成,因此需要提出可自适应动力系统故障的制导方法。本文以某两级运载火箭为研究对象,分别针对其大气层外和大气层内的动力系统故障,采用入轨点自适应更新迭代制导和基于间接法轨迹在线优化及闭环制导的自适应制导方法,完成了运载火箭上升段动力系统故障下的自适应制导研究。首先,系统调研了国内外运载火箭上升段动力故障的案例及其影响,分析了国内外大气层外自适应制导的相关研究和发展现状,调研了国内外基于间接法轨迹在线优化及闭环制导的相关研究现状。其次,研究了运载火箭上升段的动力学建模问题。定义了常用的坐标系,并给出各坐标系间的转换关系;在发射惯性坐标系下推导运载火箭的三自由度动力学和运动学方程,同时给出动力系统故障的几种模式,作为后续研究的基础。然后,对大气层外入轨点自适应更新迭代制导进行了较为深入的研究。采用简化推力方向指令迭代制导方法,给出剩余飞行时间估计、引力积分预测、推力积分预测及入轨点纬度幅角更新的实现方案。通过一系列大气层外动力系统故障仿真实例验证了大气层外入轨点自适应更新迭代制导的有效性和可行性。最后,开展了大气层内轨迹在线优化及闭环制导方法研究。基于间接法理论推导了运载火箭大气层内上升段最优体轴方向、协态变量微分方程及终端边界条件的具体表达式。研究了数值求解Hamiltonian两点边值问题的有限差分法,求解非线性代数方程组的改进牛顿迭代法,并研究了以真空解析解为基础的牛顿迭代初值选取及考虑大气作用的参数同伦算法。实现了大气层内各种动力系统故障条件下的仿真,并验证了基于间接法轨迹在线优化及基于线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)的轨迹跟踪闭环制导方案的有效性和合理性。
【关键词】：动力故障 自适应制导 入轨点更新 间接法在线优化制导
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V475.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 运载火箭上升段动力故障国内外现状及分析10-12
• 1.3 运载火箭上升段自适应制导技术研究概况12-15
• 1.3.1 基于间接法的轨迹在线优化闭环制导技术12-14
• 1.3.2 自适应迭代制导技术14-15
• 1.4 论文组织结构与主要研究内容15-16
• 第2章 飞行动力学及动力系统故障建模16-22
• 2.1 坐标系定义及坐标转换16-17
• 2.1.1 坐标系定义16
• 2.1.2 坐标系的转换关系16-17
• 2.2 运载火箭上升段飞行动力学建模17-21
• 2.2.1 上升段运动数学模型17
• 2.2.2 发动机推力17-18
• 2.2.3 气动力18
• 2.2.4 引力18-20
• 2.2.5 运载火箭无量纲化运动数学模型20
• 2.2.6 角度关系方程20-21
• 2.3 动力系统故障下动力学建模21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 大气层外入轨点自适应更新迭代制导22-37
• 3.1 自适应迭代制导原理22-27
• 3.1.1 剩余飞行时间的计算23-24
• 3.1.2 姿态角指令求解24-27
• 3.2 入轨点自适应更新制导算法27-28
• 3.3 大气层外故障自适应制导仿真28-36
• 3.3.1 标准弹道及无故障制导28-30
• 3.3.2 故障下更新入轨点对比30-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 大气层内轨迹在线优化及闭环制导37-58
• 4.1 大气层内上升最优控制模型37-38
• 4.2 基于间接法的最优解38-46
• 4.2.1 无过程约束的最优解39-44
• 4.2.2 加入过程约束的最优解44-45
• 4.2.3 Hamiltonian两点边值问题模型45-46
• 4.3 基于有限差分+改进牛顿迭代求解法46-48
• 4.3.1 有限差分法46-47
• 4.3.2 带松弛因子的牛顿迭代算法47-48
• 4.3.3 关机时间求解算法48
• 4.4 初值估计及参数同伦技术48-50
• 4.4.1 初值快速估计49-50
• 4.4.2 参数同伦50
• 4.5 无故障自适应制导仿真50-52
• 4.6 大气层内故障自适应制导仿真52-57
• 4.6.1 原一级关机点可达52-55
• 4.6.2 原一级关机点不可达55-57
• 4.7 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间所发表的论文及其它成果64-66
• 致谢66

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本文编号：642980