航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應(yīng)用

內(nèi)容概要

　　《航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應(yīng)用》是飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一本專著，全書以運(yùn)載火箭發(fā)射、航天器再入、航天器軌道機(jī)動(dòng)為應(yīng)用背景，從軌跡最優(yōu)化基本理論、最優(yōu)控制數(shù)值方法、航天領(lǐng)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(yīng)用和軟件等，其主要內(nèi)容包括：①航天器軌跡優(yōu)化研究進(jìn)展；②軌跡最優(yōu)控制理論；③軌跡優(yōu)化問題參數(shù)化方法；④軌跡優(yōu)化常用數(shù)值優(yōu)化算法；⑤運(yùn)載火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化；⑥航天器再人軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化；⑦航天器空間脈沖和有限推力最優(yōu)軌道機(jī)動(dòng)；⑧航天器軌跡優(yōu)化軟件?！　　逗教炱鬈壽E優(yōu)化理論、方法及應(yīng)用》內(nèi)容豐富翔實(shí)，具有較強(qiáng)的前沿性和實(shí)用性，可作為高等院校飛行器設(shè)計(jì)及相關(guān)專業(yè)研究生和本科高年級(jí)學(xué)生的參考教材，也可供從事航天任務(wù)設(shè)計(jì)的研究人員和工程設(shè)計(jì)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(jì)50年代前后的最優(yōu)控制理論1.3.2 20世紀(jì)60年代發(fā)展興起的間接法1.3.3 20世紀(jì)70年代以來的直接法1.3.4 20世紀(jì)90年代以來的智能優(yōu)化算法1.4 本書的目的和內(nèi)容安排參考文獻(xiàn)第2章 軌跡最優(yōu)化基礎(chǔ)理論2.1 最優(yōu)控制問題的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(jīng)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(xiàn)第3章 軌跡優(yōu)化參數(shù)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(shù)化方法3.1.2 間接法的特點(diǎn)3.1.3 間接法的若干典型應(yīng)用3.2 傳統(tǒng)的直接法3.2.1 傳統(tǒng)直接法的參數(shù)化方法3.2.2 傳統(tǒng)直接法的特點(diǎn)3.2.3 傳統(tǒng)直接法的若干典型應(yīng)用3.3 偽譜法3.3.1 偽譜法的參數(shù)化方法3.3.2 偽譜法的特點(diǎn)3.3.3 偽譜法的若干典型應(yīng)用3.4 其他方法3.4.1 動(dòng)態(tài)逆方法3.4.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法3.4.3 滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化3.4.4 快速探索隨機(jī)樹法3.4.5 軌跡優(yōu)化方法的其他相關(guān)問題參考文獻(xiàn)第4章 軌跡優(yōu)化數(shù)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(jīng)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(diǎn)邊值問題的求解方法4.2.1 兩點(diǎn)邊值問題的打靶法4.2.2 共軛梯度法4.2.3 兩點(diǎn)邊值問題的非線性優(yōu)化4.3 經(jīng)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(yùn)載火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化第6章 航天器再入軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化第7章 空間最優(yōu)脈沖軌道機(jī)動(dòng)第8章 空間有限推力最優(yōu)軌道機(jī)動(dòng)第9章 航天器軌跡優(yōu)化軟件參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)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(nèi)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(shù)是一種以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用于求解各種工程問題優(yōu)化解的應(yīng)用技術(shù)。作為一個(gè)重要的科學(xué)分支，興起于20世紀(jì)三四十年代的現(xiàn)代優(yōu)化理論在諸多工程領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用和推廣，受到人們的廣泛重視。航天器設(shè)計(jì)優(yōu)化研究是眾多設(shè)計(jì)優(yōu)化研究領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和科技進(jìn)步而不斷豐富發(fā)展，形成了一個(gè)龐大的研究領(lǐng)域。幾十年來，眾多學(xué)者在這一領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。航天器設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域涉及軌跡優(yōu)化、構(gòu)型設(shè)計(jì)優(yōu)化、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)優(yōu)化、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化等。航天器（如各類航天運(yùn)載器、空間飛行器和再入飛行器等）的飛行軌跡優(yōu)化對(duì)航天器的設(shè)計(jì)有著十分重要的意義及實(shí)際工程價(jià)值，是貫穿航天器全壽命周期的重要問題。在方案論證與設(shè)計(jì)階段，飛行任務(wù)分析與設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，是開展航天器各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jīng)過優(yōu)化的軌跡的檢驗(yàn)，因此航天器的總體設(shè)計(jì)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(gè)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(shè)計(jì)，可以最佳地動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的組合與航天器的各子系統(tǒng)匹配，以達(dá)到最小起飛質(zhì)量或最大有效載荷，或最大可靠性等性能指標(biāo)，這對(duì)提高航天任務(wù)及航天器設(shè)計(jì)性能具有顯著意義。在飛行任務(wù)運(yùn)營階段，航天器設(shè)計(jì)狀態(tài)基本已定，軌跡優(yōu)化是提高航天任務(wù)及航天器性能為數(shù)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(shè)計(jì)出性能更好的飛行軌跡，進(jìn)行在軌控制實(shí)現(xiàn)，能夠減少航天器在軌運(yùn)行的燃料消耗，延長在軌壽命（大多數(shù)航天任務(wù)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)），增大執(zhí)行任務(wù)能力（如交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)任務(wù)時(shí)增加交會(huì)任務(wù)次數(shù)，深空探測時(shí)飛越更多的小行星等），或獲得滿足特定任務(wù)要求的最優(yōu)性能指標(biāo)（如交會(huì)時(shí)間最短、碰撞概率最小，對(duì)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(shè)計(jì)領(lǐng)域最早的應(yīng)用之一。航天器軌跡優(yōu)化隨著人類探索太空領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展進(jìn)步。人類探索太空領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，帶來了一系列具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題，軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)問題即是其中的一個(gè)。而計(jì)算機(jī)的發(fā)展又給解決這些問題的新方法的產(chǎn)生提供了條件。航天器軌跡優(yōu)化問題實(shí)質(zhì)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(dāng)狀態(tài)變量和控制變量受到不等式約束時(shí)，就不便于用變分法求解。與新的技術(shù)要求，特別是空間技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)，自20世紀(jì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃法，為最優(yōu)控制問題的解決奠定了基礎(chǔ)。70年代以來，隨著空間任務(wù)的復(fù)雜化，航天器任務(wù)設(shè)計(jì)（包括軌跡優(yōu)化）面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，隨著計(jì)算機(jī)水平的高速發(fā)展，帶動(dòng)了以直接打靶法、配點(diǎn)法和偽譜法（pseudospectralmethod，PM）等各類最優(yōu)控制數(shù)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(dòng)了最優(yōu)控制理論、非線性規(guī)劃算法等其他領(lǐng)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(nèi)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(biāo)；陳小前（2001）對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步補(bǔ)充完善。本書討論的對(duì)象主要是各類航天器包括運(yùn)載火箭（彈道導(dǎo)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(duì)每一類問題給出較常用的性能指標(biāo)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(yùn)載器，如一次性運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)和可重復(fù)使用運(yùn)載器的最優(yōu)上升軌跡，以及各類彈道導(dǎo)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(biāo)是有效載荷質(zhì)量最大或燃料消耗質(zhì)量最小。上升段飛行時(shí)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(jī)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(jī)動(dòng)再入飛行器如機(jī)動(dòng)彈頭、高超聲速演示驗(yàn)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(biāo)，如總吸熱量最小、最大末速度、最大航程和飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量最小等。返回（再入）段通常歷時(shí)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(jī)動(dòng)，包括僅利用發(fā)動(dòng)機(jī)推力的空間軌道機(jī)動(dòng)如空間攔截、空間軌道轉(zhuǎn)移、空間交會(huì)等，采用空氣動(dòng)力輔助變軌的空間軌道機(jī)動(dòng)，利用行星引力輔助變軌軌道機(jī)動(dòng)問題等。空間軌道機(jī)動(dòng)問題按照發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)問題來研究。最常用的性能指標(biāo)是燃料消耗質(zhì)量最小或等價(jià)的速度增量最小，其次是飛行時(shí)間最短，此外還有一些其他性能指標(biāo)如交會(huì)問題中的軌跡安全性指標(biāo)等（唐國金等，2008）。（4）航天器包含飛行軌跡的一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要包括構(gòu)型參數(shù)（加注量等）/飛行軌跡一體化設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)總體/飛行軌跡一體化設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形/飛行軌跡一體化設(shè)計(jì)、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的軌跡優(yōu)化內(nèi)容等。航天器包含飛行軌跡的一體化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)各類型運(yùn)載系統(tǒng)，其次是再入航天器，而針對(duì)空間機(jī)動(dòng)航天器的較少。最常用的性能指標(biāo)是航天器初始質(zhì)量最小或有效載荷質(zhì)量最大等。本書主要研究前三類問題。其中，運(yùn)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(nèi)容進(jìn)行介紹，在運(yùn)載火箭發(fā)射軌跡優(yōu)化這一章中簡單給出運(yùn)載火箭軌跡/總體參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法。空間軌道機(jī)動(dòng)問題分為脈沖和有限推力兩類問題，將安排兩章內(nèi)容進(jìn)行介紹。智能優(yōu)化算法相對(duì)于經(jīng)典優(yōu)化算法，只是在某些方面具有一定的優(yōu)勢。目前，關(guān)于智能優(yōu)化算法應(yīng)用的一個(gè)公認(rèn)看法是，智能優(yōu)化算法是一個(gè)比較好的初始解產(chǎn)生工具，因此結(jié)合經(jīng)典算法和智能優(yōu)化算法優(yōu)點(diǎn)的構(gòu)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(nèi)容安排本書是以著者所完成的運(yùn)載火箭軌跡優(yōu)化、航天器再入軌跡優(yōu)化、交會(huì)對(duì)接任務(wù)規(guī)劃、深空探測任務(wù)分析等相關(guān)科研成果為基礎(chǔ)撰寫的航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應(yīng)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(yīng)用等內(nèi)容。本書力求系統(tǒng)性，從理論、方法、應(yīng)用與軟件系統(tǒng)4個(gè)方面論述航天器軌跡優(yōu)化，對(duì)航天器軌跡優(yōu)化發(fā)展歷史和相關(guān)研究進(jìn)展做了系統(tǒng)評(píng)述；又力求先進(jìn)性，給出了著者在該領(lǐng)域的最新研究成果；同時(shí)面向?qū)嶋H工程應(yīng)用，盡可能總結(jié)了在實(shí)際工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和方法，介紹了應(yīng)用于工程任務(wù)的各類型軌跡優(yōu)化軟件。全書安排9章，主要內(nèi)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(gè)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(jīng)典數(shù)學(xué)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(shù)值方法，主要是如何將軌跡由動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為靜態(tài)優(yōu)化問題的處理方法，包括直接打靶法、配點(diǎn)法和偽譜法的基本原理、步驟及應(yīng)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(diǎn)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(biāo)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(duì)運(yùn)載火箭上升段軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，概述該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，給出地球同步轉(zhuǎn)移軌道、太陽同步軌道等目標(biāo)軌道的發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。第6章主要針對(duì)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(jìn)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(jī)動(dòng)問題的求解方法，給出包括軌道轉(zhuǎn)移、軌道交會(huì)、小推力轉(zhuǎn)移、深空探測引力輔助軌道機(jī)動(dòng)、多目標(biāo)軌道機(jī)動(dòng)等問題的典型求解方法。

編輯推薦

《航天器軌跡優(yōu)化理論、方法及應(yīng)用》以著者完成的“飛行器軌跡優(yōu)化”相關(guān)科研成果為基礎(chǔ)，以運(yùn)載火箭入軌、飛行器再入、航天器軌道轉(zhuǎn)移和交會(huì)為應(yīng)用背景，系統(tǒng)闡述了飛行器軌跡優(yōu)化的問題建模、基本理論與求解方法、算法模型、應(yīng)用成果和相關(guān)軟件等內(nèi)容?！逗教炱鬈壽E優(yōu)化理論、方法及應(yīng)用》可作為從事飛行器研究、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員，以及高等院校相關(guān)專業(yè)教師和研究生的參考用書。

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