火箭着陆段能量管理与轨迹优化技术

doi:10.7527/S1000-6893.2024.29634

固体力学与飞行器总体设计

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火箭着陆段能量管理与轨迹优化技术

刁尹¹, 张智², 彭越¹(), 李杨¹, 张博戎¹, 张志国¹

^1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076
^2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076

收稿日期:2023-09-22 修回日期:2023-11-21 接受日期:2024-02-27 出版日期:2024-03-21 发布日期:2024-03-21
通讯作者: 彭越 E-mail:pengyue@163.com

Energy management and trajectory optimization technology for rocket landing

Yin DIAO¹, Zhi ZHANG², Yue PENG¹(), Yang LI¹, Borong ZHANG¹, Zhiguo ZHANG¹

^1.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 　100076，China
^2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 　100076，China

Received:2023-09-22 Revised:2023-11-21 Accepted:2024-02-27 Online:2024-03-21 Published:2024-03-21
Contact: Yue PENG E-mail:pengyue@163.com

摘要/Abstract

摘要：

垂直回收火箭返回着陆段发动机推力与气动力高度耦合，火箭着陆可行性与安全性不仅取决于轨迹终端位置、速度和姿态偏差，还取决于初始姿态偏差与着陆能量的控制能力。针对带有发动机起动段与喷流影响下气动力变化的复杂动态模型轨迹规划问题，通过在起动段采用多项式制导方法以及在推力节流调整段采用解析初值-序列凸优化方法进行分段轨迹在线规划；为消除分段求解模型差异带来的切换姿态角跳变，利用五次多项式形式推导得到含初始姿态角约束的解析初值参考剖面；然后通过对推力角与轨迹倾斜角度约束的动态调整，以及引入偏差松弛项，将终端质量约束添加到优化性能指标函数中，利用序列凸化迭代方法完成对具有终端位置、速度、姿态和指定质量约束的优化问题求解。结果表明：所提方法相较于传统多项式或凸优化方法，在约束数量与精度指标方面具有优势，在组合偏差条件下能够满足准确的终端位置、速度和终端质量约束，终端姿态角偏差<1.5°，同时在线规划平均耗时<1 s，具有较好的工程应用前景，可为我国新一代可重复使用载人运载火箭的相关研制工作提供一定的参考。

关键词: 重复使用运载火箭, 垂直着陆, 能量管理, 解析初值, 序列凸优化

Abstract:

The engine thrust and aerodynamic forces are highly coupled in vertical recovery rocket landing， and the rocket feasibility and safety depend on not only the trajectory terminal position， velocity and attitude deviation， but also the initial attitude deviation and the control accuracy of the landing energy. Aiming at the complex dynamic model trajectory planning with aerodynamic changes under the influence of the engine starting section and jet stream， the segmented trajectory online planning is conducted by adopting the polynomial guidance method in the starting section and the analytical initial value-sequential convex optimization method in the thrust throttling adjustment section. To eliminate the jumps of the switching attitude angle caused by the difference of segmented solving models， a quintuple polynomial form was used to obtain the analytical initial value reference profile with the constraints of the initial attitude angle. Then， through the dynamic adjustment of the thrust angle and trajectory tilt angle constraints as well as the introduction of a deviation relaxation term， the terminal mass constraint was added to the optimization performance index function， and the optimization problem with constraints on the terminal position， velocity， attitude， and specified mass was completed using the sequence-convex iterative method. The results show that the proposed method has advantages in accuracy index and number of constraints compared with the traditional polynomial or convex optimization methods. Capable of achieving accurate terminal position， velocity and terminal mass constraints under the combination of deviation conditions， with the terminal attitude angle deviation less than 1.5°， and the average time consumed for online planning less than 1 s， it has a good engineering application prospect and can provide reference for the development of China’s new generation of reusable manned launch vehicles.

Key words: reusable launch vehicles, vertical landing, energy management, analytical initial value, sequential convex optimization

中图分类号:

V448.1

刁尹, 张智, 彭越, 李杨, 张博戎, 张志国. 火箭着陆段能量管理与轨迹优化技术[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 229634-229634.

Yin DIAO, Zhi ZHANG, Yue PENG, Yang LI, Borong ZHANG, Zhiguo ZHANG. Energy management and trajectory optimization technology for rocket landing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(15): 229634-229634.

图/表 21

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表 1

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表 2

表 3

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

表 4

参考文献 25

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

类别	参数	数值
初始状态	位置/m	［-300 2 000 -10］
	速度/（m·s^-1）	［50 -200 2］
	质量/kg	34 500
动力系统参数	比冲/s	282
	额定推力/kN	825
	节流范围/%	50~100
	起动段时长/s	3
终端状态	位置/m	［0 0 0］
	速度/（m·s^-1）	［0 -0.01 0］
	质量/kg	30 200

方法	位置/（10^-3 m）	速度/（10^-4 m·s^-1）	姿态角/（10^-3（°））	质量/kg
四次多项式制导	-2	1	1.5（俯仰）	29 985
	24	-400	1（偏航）
	1	1
传统凸优化制导	-0.01	0.01	-340（俯仰）	30 500
	0.01	-100	-100（偏航）
	-0.01	0.01
解析初值+ 序列凸优化	-0.01	0.01	0.1（俯仰）	30 200
	0.01	-100	-0.1（偏航）
	-0.01	0.01

类别	参数	3σ值
初始状态偏差	位置/m	［±100 ±100 ±50］
	速度/（m·s^-1）	［±20 ±20 ±10］
	质量/kg	±50
动力系统偏差	比冲/%	±1
动力系统偏差	秒耗量/%	±2
环境干扰偏差	气动系数/%	±10
环境干扰偏差	大气密度/%	±10

统计项		终端精度（3σ）偏差
位置	r_x /（10^-2 m）	-7.3
	r_y /（10^-2 m）	5.1
	r_z /（10^-2 m）	-10
速度	v_x （10^-3 m·s^-1）	2.6
	v_y （10^-3 m·s^-1）	-10
	v_z （10^-3 m·s^-1）	9.7
姿态角	俯仰角/（°）	1.13
姿态角	偏航角/（°）	0.55
质量/kg		2.58
平均规划耗时/s		0.86

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