直接配点法在再入飞行器轨迹优化中的应用与仿真

本文主要探讨了"基于直接配点法的再入轨迹优化设计"，这是一项针对再入飞行器三维轨迹优化的重要研究。论文由涂良辉、袁建平、岳晓奎和罗建军四位作者共同完成，来自西北工业大学航天学院，位于陕西西安。研究的焦点在于利用直接配点法解决再入飞行器的轨迹优化问题。 在论文中，作者首先定义了再入飞行器的轨迹最优化问题，其中运动方程被设定为三自由度模型，考虑到飞行器在再入大气层时的主要动态特性。性能指标选择为末端速度的最大化，而控制变量包括迎角和滚转角。同时，优化过程中必须满足飞行器在再入过程中的关键约束，如加热率、过载和动压的限制，以及终端状态（航迹倾角和高度）的约束。 直接配点法的核心在于将连续的动态优化问题通过离散化手段转化为非线性规划问题。具体来说，通过选取各个节点的状态量和控制量作为优化参数，将问题转化为静态参数最优化。作者采用了一种高效且具有良好收敛性的01234软件包来求解这个非线性规划问题。这种方法的优势在于它对初始参数的敏感度较低，求解过程稳定，并且在一定程度上具有实时性，这对于实际应用来说非常关键。 再入轨迹优化一直备受关注，传统的方法倾向于间接优化，但直接优化法，如直接配点法，因其优点逐渐受到青睐。与间接优化相比，直接配点法无需反复迭代求解微分方程组，简化了解决过程，提高了计算效率。本文采用直接配点法和01234软件包对再入轨迹优化问题进行了深入研究和实践验证。 论文的结构包括再入轨迹最优问题的描述、运动方程的建立，以及这些假设条件的应用。其中，运动方程是基于地球视为均匀球体、忽略地球自转和公转效应、假设大气相对地球静止以及侧滑角为零等简化前提下的。通过这些步骤，作者展示了如何运用直接配点法有效地解决再入飞行器的轨迹优化问题，为实际飞行器设计提供了实用的优化策略和技术支持。