一种可重复使用运载火箭全程轨迹规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114280934A(43)申请公布日2022.04.05(21)申请号202111534972.5(22)申请日2021.12.15(71)申请人北京航天自动控制研究所地址100854北京市海淀区永定路50号(72)发明人王聪宋征宇巩庆海吕新广何勇胡海峰(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书3页说明书12页附图1页(54)发明名称一种可重复使用运载火箭全程轨迹规划方法(57)摘要本申请提供一种可重复使用运载火箭全程轨迹规划方法，该方法包括：对可重复使用运载火箭的飞行阶段进行划分；确定每个划分阶段的问题描述，以及确定目标函数；根据问题描述以及目标函数，对可重复使用运载火箭全程轨迹进行规划。本申请提供的方法，对可重复使用运载火箭的飞行阶段进行划分，通过每个划分阶段的问题描述，根据问题描述以及目标函数，对可重复使用运载火箭全程轨迹进行规划，从而避免因初值选取不合适，直接求解原优化问题不收敛情况。CN114280934ACN114280934A权利要求书1/3页1.一种可重复使用运载火箭全程轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：对可重复使用运载火箭的飞行阶段进行划分；确定每个划分阶段的问题描述，以及确定目标函数；根据所述问题描述以及目标函数，对可重复使用运载火箭全程轨迹进行规划。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可重复使用运载火箭包括火箭回收级与火箭入轨级；所述对可重复使用运载火箭的飞行阶段进行划分，包括：根据火箭回收级与火箭入轨级是否分离，将可重复使用运载火箭的飞行阶段划分为如下两个划分阶段：上升段和着陆段；其中，上升段火箭回收级与火箭入轨级未分离；着陆段火箭回收级与火箭入轨级分离。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上升段包括：竖直上升段、回收级工作段和入轨级工作段。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述着陆段包括：惯性调姿段、动力减速段、气动减速段和动力软着陆段。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定每个划分阶段的问题描述，包括：基于发射点惯性坐标系确定上升段的运动方程和约束条件；基于垂直着陆坐标系确定着陆段的运动方程和约束条件。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述发射点惯性坐标系的坐标原点O为发射点，OY轴沿地心与发射点连线指向地表外，OX轴与OY轴垂直，在水平面内指向发射方向，与发射点子午面夹角为发射方位角，OZ轴满足右手定则。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上升段的运动方程中，假设条件为：地球为均匀圆球，忽略气动升力，仅考虑气动阻力作用；状态量包含火箭回收级与火箭入轨级的位置矢量、速度矢量和质量；控制量为火箭回收级与火箭入轨级的发动机推力矢量。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，竖直上升段和回收级工作段由火箭回收级发动机产生的推力同时作用于火箭回收级与火箭入轨级，火箭入轨级质量保持不变；入轨级工作段由火箭入轨级发动机产生推力。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上升段的约束条件，包括：发射时刻初始状态约束、竖直上升段推力方向约束，回收级工作段弯矩约束，入轨级工作段目标轨道根数终端约束，以及相邻两个飞行段之间时间和状态量连续的等式约束条件。10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述垂直着陆坐标系中坐标原点Oe为地心，OeYl轴由地心指向火箭质心，OeXl轴在当地水平面内垂直于OeYl轴，与火箭所在子午面夹角为发射方位角，OeZl轴满足右手定则。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述着陆段的运动方程中，可重复使用运载火箭的位置矢量由质心到地心的距离和质心在地心赤道坐标系中的经纬度表示；可重复使用运载火箭的速度矢量由所述垂直着陆坐标系中三个方向的速度分量表示。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述着陆段的约束条件，包括：火箭回收2CN114280934A权利要求书2/3页级分离时刻状态变量，各飞行段发动机秒流量约束条件，程序角、程序角速度约束条件，动力减速度段和气动减速段的驻点热流、过载、动压约束条件，剩余质量约束条件，着陆时刻终端状态量约束条件，以及相邻两个飞行段之间时间和状态量连续的等式约束条件。13.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定目标函数，包括：根据火箭回收级与火箭入轨级的终端质量，任务特点确定目标函数。14.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述问题描述以及目标函数，对可重复使用运载火箭全程轨迹进行规划，包括：根据所述问题描述进行可重复使用运载火箭全程同伦优化；根据所述问题描述进行上升段同伦优化；根据所述问题描述进行着陆段同伦优化；根据全程同伦优化、上升段同伦优化、着陆段同