RBCC—RKT两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMay252014Vol35No51284—1291ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducrlhkxb@buaaedu．cnRBCC—RKT两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法阮建刚，何国强*，吕翔西北工业大学燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，陕西西安710072摘要：针对火箭基组合循环(RBCC)发动机比冲和推进剂质量流量随飞行条件改变而不断变化的特点，提出了通过增广拉格朗日遗传算法优化飞行器飞行轨迹的方法，在飞行器气动参数和发动机比冲已知、最

2、大飞行动压给定等条件下，进行了火箭基组合循环发动机一液体火箭(RKT)发动机推进的水平起飞两级人轨(TsTO)飞行器飞行轨迹优化计算。研究结果表明：在飞行俯仰角和发动机推进剂质量流量变化范围已知的情况下，利用该方法能够在较好满足给定约束条件的情况下，优化得到飞行俯仰角和发动机流量随时间的变化关系，为飞行轨迹初步设计提供参考。关键词：两级入轨；水平起飞；火箭基组合循环；发动机；轨迹优化；增广拉格朗日遗传算法中图分类号：V421．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)05—1284—08火箭基组合循环(RocketBasedCombinedCycle，

3、RBCC)发动机是一种集高推重比的液体火箭发动机与高比冲的吸气式冲压发动机于一体的可重复使用的新型推进系统，是两级入轨(TS—TO)飞行器中第一级的首选推进系统[1]。作为两级入轨的推进系统，它工作在引射、亚燃、超燃3个工作模态。在引射模态下引射火箭工作，发动机利用引射火箭羽流的抽吸作用，从进气道吸入空气，在二次燃烧室内组织二次燃烧，在引射火箭的基础上提高发动机的比冲。亚燃模态与超燃模态下引射火箭完全关闭，此时飞行马赫数Ma较大，能够通过冲压作用从进气道引入足够的空气，在二次燃烧室进行亚声速与超声速燃烧。运载飞行器的飞行轨迹设计是总体设计过程的一个重要内容，是研制最

4、佳飞行器系统必须解决的主要问题之一。传统运载火箭飞行轨迹初步设计时，往往是在以往设计经验的基础上，采用工程设计方法，由于俯仰角程序表达式已知，发动机推力固定，因此轨迹优化主要是优化表达式中的参数[2_3]。对以大气中的氧气为部分氧化剂的吸气式变比冲RBCC新型发动机来说，发动机推力随飞行条件变化范围较大，传统运载火箭飞行轨迹设计方法难以胜任。文献[4]～文献[10]在研究单级人轨(SSTO)和两级入轨RBCC发动机中采用了POST(ProgramtoOptimizeSimulatedTrajecto—ries)轨迹优化程序。POST程序是20世纪70年代编写的在给定

5、飞行器气动性能和推力特性前提条件下通用的三自由度轨迹优化程序，该程序通常以推进剂消耗量最小为优化目标，优化计算一定约束条件下的飞行轨迹。王厚庆Hq和吕翔[121等提出了将爬升、巡航和俯冲段折合成巡航段进行飞行轨迹设计的方法，但在求解方程中没有考虑发动机推力和飞行轨迹的相互影响。吕翔等口21提出根据马赫数一动压参考曲线的设计方法，建立了基于二分法求解收稿日期：2013．07—12；退修日期：2013—08—29；录用日期：2013—09—13；网络出版时间：2013—11-0116：56网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929．V201

6、311011656001html*通讯作者Tel：029—88494163E—mail：gqhe@nwpu．eduCFI引用格武：RuanJG．HeGQ，LyuXTrajectoryoptimizationmethodintwo—stage—to—orbitRBCC--RKTlaunchvehicleEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014，35(5)：1284．1291既建嘲，何国强．g翔RBCC--RKT两级A轨飞行器飞行轨迹优化方法!屯．航空学报，2014．35(5)：1284—1291．阮建刚等：RBcC—RK

7、T两级入轨飞行器飞行轨迹优化方法1285迎角并实现求解轨迹方程的算法流程，但求解函数在迎角边界值上可能会出现函数值同号的情况，导致二分法无法继续进行。本文通过增广拉格朗日乘子对约束条件进行处理，利用遗传算法求解非线性规划问题对初值不敏感、能在非线性约束条件下对可行解范围进行全局搜索寻优的特点u3I，对第1级由RBCC发动机推进、第2级由传统液体火箭(RKT)推进的水平起飞的两级入轨飞行器飞行轨迹进行了优化研究，为俯仰角和发动机流量初步设计提供参考。1数学模型和计算方法本文研究的两级入轨飞行器第一级由RBCC发动机推进，到达一定飞行高度和飞行马赫数后，第一级分离，