基于变推力液体火箭发动机的航天器快速机动问题研究

论文摘要

随着航天技术的不断进步,特别是军事航天活动的迅猛发展,对于能进行空间快速机动的航天器的需求日益增强,特别是伴飞监视、接近干扰、交会对接、空间拦截和在轨捕获等典型的空间安全问题,要求航天器的推力能够按照需求快速、灵活地变化。但是,目前应用于航天器轨道机动的变推力推进系统尚不成熟,所以常见的做法是将多个常推力推进系统进行组合来实现推力的简单调节,也正是由于这一限制,使得大范围、高精度、低能耗的航天器轨道快速机动的目标很难实现。本文系统研究了将推力连续可变的变推力火箭发动机用于航天器空间快速机动的可行性及其方案。论文首先阐述了变推力火箭发动机的工作原理、组成与控制,研究了推力调节途径和可采用的技术手段,并对它在航天领域的应用进行了分析。在此基础上对航天器轨道机动问题建立了变推力条件下的动力学模型,并依据经典的李亚普诺夫稳定控制法建立了控制律,建立了该最优控制问题的优化模型,然后把这个动态优化问题转化为静态优化问题,对于两种求解轨迹优化问题的优化方法进行对比分析,根据分析结果选择多方法协作优化方法对变推力条件下的轨道机动问题进行求解。在此基础上,论文对二维和三维轨道快速机动问题中的多种情况进行了仿真计算与数据分析,定量研究了快速机动航天器对连续可调推力的需求,并对变推力火箭发动机在航天器中的应用进行了探讨。分析结果表明:卫星在轨道坐标系三个坐标轴的推力随时间连续变化。这说明:推力连续变化是航天器快速机动的本质要求。同时,这也证明了变推力火箭发动机对于航天器快速机动任务有着非常重要的作用。论文从任务需求、技术基础、动力学模型、优化模型和求解方法等方面对变推力条件下的航天器快速机动问题进行了全面系统的研究,将为我国发展变推力火箭发动机以及空间机动平台提供有益的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.2 快速机动航天器发展概述
• 1.2.1 美国
• 1.2.2 前苏联和俄罗斯
• 1.2.3 欧洲
• 1.2.4 日本
• 1.2.5 我国
• 1.3 轨道机动技术概述
• 1.3.1 冲量式轨道机动
• 1.3.2 有限推力轨道机动
• 1.3.3 连续推力轨道机动
• 1.3.4 多次推力轨道机动
• 1.4 变推力火箭发动机发展现状
• 1.4.1 美国
• 1.4.2 其它国家
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 变推力火箭发动机的原理及其工程实现
• 2.1 变推力火箭发动机的推力调节原理
• 2.2 变推力火箭发动机的组成和控制
• 2.2.1 变推力液体发动机的组成
• 2.2.2 变推力火箭发动机的控制系统
• 2.3 变推力火箭发动机的推力调节途径
• 2.3.1 调节节流阀或涡轮泵
• 2.3.2 调节喷注面积
• 2.3.3 调解喉部面积
• 2.3.4 多燃烧室
• 2.3.5 调节脉冲发动机的脉冲宽度
• 2.3.6 掺混惰性气体
• 2.4 变推力火箭发动机推力调节的技术手段
• 2.4.1 流量调节的技术手段及工程实现
• 2.4.2 喉部面积调节的技术手段及工程实现
• 2.5 变推力火箭发动机的应用分析
• 2.5.1 在星球表面进行软着陆
• 2.5.2 提高导弹的机动能力
• 2.5.3 航天器轨道机动与交会对接
• 2.6 小结
• 第三章 航天器轨道机动的动力学模型和控制律
• 3.1 变推力条件下的动力学模型
• 3.2 稳定控制律的设计
• 3.3 小结
• 第四章 变推力条件下的轨迹优化模型
• 4.1 轨迹优化问题的提出
• 4.1.1 最优控制问题
• 4.1.2 两点边值问题
• 4.1.3 求解最优控制问题
• 4.1.4 轨迹优化面临的困难
• 4.2 轨迹优化模型
• 4.2.1 快速机动的一般优化模型
• 4.2.2 快速机动的具体优化模型
• 4.3 与常推力条件下轨迹优化模型的区别
• 4.4 小结
• 第五章 求解轨迹优化问题的优化方法研究
• 5.1 并联策略的多方法协作优化方法
• 5.1.1 多方法协作优化方法（MCOA）
• 5.1.2 遗传算法（GA）
• 5.1.3 并联策略的多方法协作优化方法（MPCOA）
• 5.2 GA与MPCOA的性能比较
• 5.2.1 常推力下的平面内轨道拦截问题
• 5.2.2 MPCOA的计算结果
• 5.2.3 GA的计算结果
• 5.2.4 计算结果比较
• 5.3 小结
• 第六章 变推力航天器的快速机动仿真与分析
• 6.1 平面内降轨机动
• 6.1.1 仿真计算
• 6.1.2 数据分析
• 6.2 平面内升轨变拱线机动
• 6.2.1 仿真计算
• 6.2.2 数据分析
• 6.3 平面外变倾角机动
• 6.3.1 仿真计算
• 6.3.2 数据分析
• 6.4 平面外变倾角变相位机动
• 6.4.1 仿真计算
• 6.4.2 数据分析
• 6.5 平面外变倾角变拱线机动
• 6.5.1 仿真计算
• 6.5.2 数据分析
• 6.6 研究结论
• 6.7 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果