航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應用

內容概要

　　《航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應用》是飛行器設計領域的一本專著，全書以運載火箭發(fā)射、航天器再入、航天器軌道機動為應用背景，從軌跡最優(yōu)化基本理論、最優(yōu)控制數值方法、航天領域的各種軌跡優(yōu)化問題求解等方面著手，系統(tǒng)闡述了航天器軌跡優(yōu)化的理論、方法、應用和軟件等，其主要內容包括：①航天器軌跡優(yōu)化研究進展；②軌跡最優(yōu)控制理論；③軌跡優(yōu)化問題參數化方法；④軌跡優(yōu)化常用數值優(yōu)化算法；⑤運載火箭發(fā)射軌道設計優(yōu)化；⑥航天器再人軌跡設計優(yōu)化；⑦航天器空間脈沖和有限推力最優(yōu)軌道機動；⑧航天器軌跡優(yōu)化軟件。　　《航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應用》內容豐富翔實，具有較強的前沿性和實用性，可作為高等院校飛行器設計及相關專業(yè)研究生和本科高年級學生的參考教材，也可供從事航天任務設計的研究人員和工程設計人員參考使用。

書籍目錄

前言第l章 緒論1.1 航天器軌跡優(yōu)化的研究背景與意義1.2 航天器軌跡優(yōu)化問題分類1.3 航天器軌跡優(yōu)化的發(fā)展歷程1.3.1 20世紀50年代前后的最優(yōu)控制理論1.3.2 20世紀60年代發(fā)展興起的間接法1.3.3 20世紀70年代以來的直接法1.3.4 20世紀90年代以來的智能優(yōu)化算法1.4 本書的目的和內容安排參考文獻第2章 軌跡最優(yōu)化基礎理論2.1 最優(yōu)控制問題的數學描述2.2 變分法2.2.1 泛函極值與變分2.2.2 泛函極值的必要條件2.2.3 最優(yōu)控制問題的變分法2.3 極小值原理2.3.1 極小值原理的基本形式2.3.2 具有軌線約束的最優(yōu)控制問題2.4 數學規(guī)劃基本理論2.4.1 無約束極值理論2.4.2 等式約束極值問題的經典拉格朗日理論2.4.3 不等式約束極值問題的庫恩一塔克（Kuhn-Tucker）理論參考文獻第3章 軌跡優(yōu)化參數化方法3.1 基于極小值原理的間接法3.1.1 間接法的參數化方法3.1.2 間接法的特點3.1.3 間接法的若干典型應用3.2 傳統(tǒng)的直接法3.2.1 傳統(tǒng)直接法的參數化方法3.2.2 傳統(tǒng)直接法的特點3.2.3 傳統(tǒng)直接法的若干典型應用3.3 偽譜法3.3.1 偽譜法的參數化方法3.3.2 偽譜法的特點3.3.3 偽譜法的若干典型應用3.4 其他方法3.4.1 動態(tài)逆方法3.4.2 動態(tài)規(guī)劃方法3.4.3 滾動時域優(yōu)化3.4.4 快速探索隨機樹法3.4.5 軌跡優(yōu)化方法的其他相關問題參考文獻第4章 軌跡優(yōu)化數值優(yōu)化算法4.1 航天器軌跡優(yōu)化中的優(yōu)化算法研究概述4.1.1 航天器軌跡優(yōu)化中的經典優(yōu)化算法4.1.2 航天器軌跡優(yōu)化中的智能優(yōu)化算法4.2 兩點邊值問題的求解方法4.2.1 兩點邊值問題的打靶法4.2.2 共軛梯度法4.2.3 兩點邊值問題的非線性優(yōu)化4.3 經典非線性規(guī)劃算法4.3.1 無約束直接優(yōu)化算法4.3.2 無約束間接優(yōu)化算法4.3.3 約束處理算法4.4 序列二次規(guī)劃算法4.4.1 概述4.4.2 算法原理與步驟4.4.3 軟件4.5 智能優(yōu)化算法4.5.1 遺傳算法4.5.2 模擬退火算法4.5.3 微粒群算法……第5章 運載火箭發(fā)射軌道設計優(yōu)化第6章 航天器再入軌跡設計優(yōu)化第7章 空間最優(yōu)脈沖軌道機動第8章 空間有限推力最優(yōu)軌道機動第9章 航天器軌跡優(yōu)化軟件參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：第1章 緒論本章闡述航天器軌跡優(yōu)化的研究背景與意義、航天器軌跡優(yōu)化問題的分類、航天器軌跡優(yōu)化的發(fā)展歷程以及本書的內容安排。1.1 航天器軌跡優(yōu)化的研究背景與意義優(yōu)化技術是一種以數學為基礎，用于求解各種工程問題優(yōu)化解的應用技術。作為一個重要的科學分支，興起于20世紀三四十年代的現(xiàn)代優(yōu)化理論在諸多工程領域得到迅速應用和推廣，受到人們的廣泛重視。航天器設計優(yōu)化研究是眾多設計優(yōu)化研究領域中最為活躍的一個，隨著生產力的發(fā)展和科技進步而不斷豐富發(fā)展，形成了一個龐大的研究領域。幾十年來，眾多學者在這一領域取得了豐碩的研究成果。航天器設計優(yōu)化領域涉及軌跡優(yōu)化、構型設計優(yōu)化、氣動外形設計優(yōu)化、推進系統(tǒng)設計優(yōu)化和多學科設計優(yōu)化等。航天器（如各類航天運載器、空間飛行器和再入飛行器等）的飛行軌跡優(yōu)化對航天器的設計有著十分重要的意義及實際工程價值，是貫穿航天器全壽命周期的重要問題。在方案論證與設計階段，飛行任務分析與設計是總體設計的一個基本環(huán)節(jié)，是開展航天器各分系統(tǒng)設計的必要前提。由于任何涉及航天器的總體優(yōu)化都離不開經過優(yōu)化的軌跡的檢驗，因此航天器的總體設計在很大程度上依賴于軌跡優(yōu)化。軌跡優(yōu)化從來都被作為總體優(yōu)化的一個重要組成部分，航天器性能優(yōu)化往往就是指軌跡優(yōu)化。基于軌跡優(yōu)化，通過航天器總體設計，可以最佳地動態(tài)與靜態(tài)的組合與航天器的各子系統(tǒng)匹配，以達到最小起飛質量或最大有效載荷，或最大可靠性等性能指標，這對提高航天任務及航天器設計性能具有顯著意義。在飛行任務運營階段，航天器設計狀態(tài)基本已定，軌跡優(yōu)化是提高航天任務及航天器性能為數不多的途徑，在某種程度上也是唯一途徑。通過軌跡優(yōu)化，設計出性能更好的飛行軌跡，進行在軌控制實現(xiàn)，能夠減少航天器在軌運行的燃料消耗，延長在軌壽命（大多數航天任務的重要評價指標），增大執(zhí)行任務能力（如交會對接試驗任務時增加交會任務次數，深空探測時飛越更多的小行星等），或獲得滿足特定任務要求的最優(yōu)性能指標（如交會時間最短、碰撞概率最小，對地觀測弧度最大等）。航天器軌跡優(yōu)化是優(yōu)化理論在航天器設計領域最早的應用之一。航天器軌跡優(yōu)化隨著人類探索太空領域的不斷擴大和數字計算機技術的不斷發(fā)展而發(fā)展進步。人類探索太空領域的不斷擴大，帶來了一系列具有挑戰(zhàn)性的技術問題，軌跡優(yōu)化設計問題即是其中的一個。而計算機的發(fā)展又給解決這些問題的新方法的產生提供了條件。航天器軌跡優(yōu)化問題實質上是最優(yōu)控制問題，早期求解最優(yōu)控制問題的理論方法是變分法。在一些問題中，當狀態(tài)變量和控制變量受到不等式約束時，就不便于用變分法求解。與新的技術要求，特別是空間技術的發(fā)展相適應，自20世紀50年代中期以來，逐漸形成了龐特里亞金的極小值原理和貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法，為最優(yōu)控制問題的解決奠定了基礎。70年代以來，隨著空間任務的復雜化，航天器任務設計（包括軌跡優(yōu)化）面臨著更大的技術挑戰(zhàn)，隨著計算機水平的高速發(fā)展，帶動了以直接打靶法、配點法和偽譜法（pseudospectralmethod，PM）等各類最優(yōu)控制數值方法和非線性規(guī)劃算法的發(fā)展。因此，航天器軌跡優(yōu)化研究也帶動了最優(yōu)控制理論、非線性規(guī)劃算法等其他領域的發(fā)展。1.2 航天器軌跡優(yōu)化問題分類航天器軌跡優(yōu)化的研究內容很多，迪克曼斯（1988）將其分為13類典型問題；南英等（1996）將其歸納為4類問題，并提出了13類典型的性能指標；陳小前（2001）對其進行了進一步補充完善。本書討論的對象主要是各類航天器包括運載火箭（彈道導彈）、衛(wèi)星、載人飛船和星際探測航天器的軌跡優(yōu)化問題。參考上述論述，本書將航天器軌跡優(yōu)化問題分為4類，對每一類問題給出較常用的性能指標和問題形式描述。（1）上升軌跡優(yōu)化，包括各種類型的航天運載器，如一次性運載火箭、航天飛機和可重復使用運載器的最優(yōu)上升軌跡，以及各類彈道導彈的程序飛行段軌跡優(yōu)化。上升段軌跡優(yōu)化最常用的性能指標是有效載荷質量最大或燃料消耗質量最小。上升段飛行時間較短，軌跡優(yōu)化問題通常為有限推力形式。（2）返回（再入）軌跡優(yōu)化，包括傳統(tǒng)返回式航天器如航天飛機軌道器、載人飛船、返回式衛(wèi)星等的再入軌跡優(yōu)化，以及機動再入飛行器如機動彈頭、高超聲速演示驗證飛行器系列、高速臨近空間飛行器等的再入軌跡優(yōu)化。返回（再入）軌跡優(yōu)化通常具有一系列優(yōu)化性能指標，如總吸熱量最小、最大末速度、最大航程和飛行器熱防護系統(tǒng)質量最小等。返回（再入）段通常歷時較短，因此軌跡優(yōu)化問題主要為有限推力形式。（3）空間最優(yōu)軌道機動，包括僅利用發(fā)動機推力的空間軌道機動如空間攔截、空間軌道轉移、空間交會等，采用空氣動力輔助變軌的空間軌道機動，利用行星引力輔助變軌軌道機動問題等?？臻g軌道機動問題按照發(fā)動機的作用形式，可劃分為脈沖和有限推力兩類問題，小推力問題作為有限推力問題中的一類特殊形式常作為一類單獨問題來研究。最常用的性能指標是燃料消耗質量最小或等價的速度增量最小，其次是飛行時間最短，此外還有一些其他性能指標如交會問題中的軌跡安全性指標等（唐國金等，2008）。（4）航天器包含飛行軌跡的一體化設計優(yōu)化，主要包括構型參數（加注量等）/飛行軌跡一體化設計、發(fā)動機總體/飛行軌跡一體化設計、氣動外形/飛行軌跡一體化設計、多學科設計優(yōu)化中的軌跡優(yōu)化內容等。航天器包含飛行軌跡的一體化設計主要是針對各類型運載系統(tǒng)，其次是再入航天器，而針對空間機動航天器的較少。最常用的性能指標是航天器初始質量最小或有效載荷質量最大等。本書主要研究前三類問題。其中，運載火箭發(fā)射軌跡優(yōu)化和航天器再入軌跡優(yōu)化分別安排一章的內容進行介紹，在運載火箭發(fā)射軌跡優(yōu)化這一章中簡單給出運載火箭軌跡/總體參數一體化設計方法?？臻g軌道機動問題分為脈沖和有限推力兩類問題，將安排兩章內容進行介紹。智能優(yōu)化算法相對于經典優(yōu)化算法，只是在某些方面具有一定的優(yōu)勢。目前，關于智能優(yōu)化算法應用的一個公認看法是，智能優(yōu)化算法是一個比較好的初始解產生工具，因此結合經典算法和智能優(yōu)化算法優(yōu)點的構造混合算法是目前所廣泛采用的研究思路（Conway，2010）。本書的目的和內容安排本書是以著者所完成的運載火箭軌跡優(yōu)化、航天器再入軌跡優(yōu)化、交會對接任務規(guī)劃、深空探測任務分析等相關科研成果為基礎撰寫的航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應用的研究專著，系統(tǒng)地闡述了航天器軌跡優(yōu)化的基本理論、算法和應用等內容。本書力求系統(tǒng)性，從理論、方法、應用與軟件系統(tǒng)4個方面論述航天器軌跡優(yōu)化，對航天器軌跡優(yōu)化發(fā)展歷史和相關研究進展做了系統(tǒng)評述；又力求先進性，給出了著者在該領域的最新研究成果；同時面向實際工程應用，盡可能總結了在實際工程應用中的經驗和方法，介紹了應用于工程任務的各類型軌跡優(yōu)化軟件。全書安排9章，主要內容包括：第1章闡述航天器軌跡優(yōu)化的研究背景與意義，給出航天器軌跡優(yōu)化問題的分類，從4個階段論述了航天器軌跡優(yōu)化的發(fā)展歷程。第2章闡述航天器軌跡優(yōu)化的經典數學理論，包括變分法、極小值原理等。第3章給出用于處理航天器軌跡優(yōu)化問題的數值方法，主要是如何將軌跡由動態(tài)優(yōu)化問題轉換為靜態(tài)優(yōu)化問題的處理方法，包括直接打靶法、配點法和偽譜法的基本原理、步驟及應用情況等。第4章給出用于求解航天器軌跡優(yōu)化問題的常用優(yōu)化算法模型，包括兩點邊值問題求解算法、非線性規(guī)劃算法、約束處理算法和智能優(yōu)化算法，以及多目標優(yōu)化算法等。第5～8章主要給出三類典型軌跡優(yōu)化問題的常用優(yōu)化方法。第5章主要針對運載火箭上升段軌跡設計優(yōu)化問題，概述該領域的研究進展，給出地球同步轉移軌道、太陽同步軌道等目標軌道的發(fā)射軌道設計優(yōu)化方法。第6章主要針對航天器再入軌跡優(yōu)化問題，闡述再入軌跡優(yōu)化的研究進展，給出傳統(tǒng)航天器再入軌跡、滑翔式再入軌跡等的典型優(yōu)化方法。第7章和第8章分別從脈沖、有限推力兩種形式，闡述空間軌道機動問題的求解方法，給出包括軌道轉移、軌道交會、小推力轉移、深空探測引力輔助軌道機動、多目標軌道機動等問題的典型求解方法。

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