[发明专利]亚轨道运载火箭级间比推力弹道一体化优化方法

说明书

亚轨道运载火箭级间比推力弹道一体化优化方法，通过遗传算法给出若干组级间比、推力以及滑行时间的参数组合，作为初始种群的个体；分别将每一组参数组合作为输入条件，以交班速度作为目标函数，通过内层优化算法进行求解，得到每组级间比、推力下的最优飞行弹道和对应的交班速度；以交班速度作为每一组参数的适应度，利用遗传算法得到最优运载器级间比、推力组合和对应的飞行弹道。本发明在满足亚轨道运载火箭飞行过程中的动压、过载、热流约束的情况下，在运载器总装药量不变情况下，尽可能的提高亚轨道运载火箭的交班速度以使有效载荷拥有更大的交班速度。

技术领域

本发明涉及一种应用于亚轨道运载火箭的级间比推力弹道一体化优化方法，属于运载火箭总体参数设计领域。

背景技术

亚轨道飞行器作为一种全新的空中平台，开拓了飞机与卫星之间存在的广阔真空地带，具有传统飞行器无法比拟的得天独厚的优势。相对于传统的运载火箭，亚轨道运载火箭弹道形式上具有以下特点：

1)较低的交班高度，且助推段全程在大气层内飞行。

2)接近0°的交班弹道倾角，需要运载器在大气层内迅速转弯。

使用针对空间轨道任务设计的传统运载火箭进行亚轨道飞行器的发射任务势必带来成本增加与可靠性降低的问题，随着各国对亚轨道空间开发力度的加大，有必要对现有的运载火箭进行优化设计以适应于亚轨道发射任务，使得在满足亚轨道运载火箭飞行过程中的动压、过载、热流约束的情况下，在运载器总装药量不变情况下，尽可能的提高亚轨道运载火箭的交班速度以使有效载荷拥有更大的交班速度。

运载火箭的设计工作涉及到总体、弹道、气动、动力、控制等诸多学科，是一项复杂的系统工程。总体设计及优化作为当中的牵引项目，不仅将为后续的诸多分系统设计提供指导的方向，更为重要的是将决定飞行器所能达到的最优性能。此外，亚轨道运载火箭的弹道设计也同样对有效载荷的性能有着十分重要的意义。任何涉及亚轨道运载火箭的总体优化都离不开经过优化弹道的检验，能否将总体优化设计所赋予飞行器的性能提升完全地发挥出来取决于弹道设计的优劣。弹道设计与总体的设计的关系就如同计算机的软件与硬件的关系一样，二者的最优组合才能带来最佳的性能。目前还没有对传统运载火箭进行优化设计以适应于亚轨道发射任务的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供亚轨道运载火箭级间比推力弹道一体化优化方法，在满足亚轨道运载火箭飞行过程中的动压、过载、热流约束的情况下，在运载器总装药量不变情况下，使有效载荷拥有更大的交班速度。

本发明的技术解决方案是：亚轨道运载火箭级间比推力弹道一体化优化方法，包括如下步骤：

第一步：通过遗传算法给出若干组级间比、推力以及滑行时间的参数组合，作为初始种群的个体；

第二步：分别将每一组参数组合作为输入条件，以交班速度作为目标函数，通过内层优化算法进行求解，得到每组级间比、推力下的最优飞行弹道和对应的交班速度；

第三步：以第二步得到的交班速度作为每一组参数的适应度；

第四步：判断是否满足迭代的终止条件，如果满足终止条件，则将最后一代种群中适应度最大的个体作为优化的最优结果，输出最优运载器级间比、推力组合和对应的飞行弹道；否则执行第五步；

第五步：对每一组参数进行选择、交叉、变异遗传操作，然后返回第二步继续执行。

所述内层优化算法的实现步骤如下：

(2.1)对亚轨道运载火箭动力学模型进行时域变换，得到时域为[-1,1]的亚轨道运载火箭动力学模型；

(2.2)将步骤(2.1)得到的亚轨道运载火箭动力学方程中的控制量和状态量进行离散；

(2.3)将步骤(2.1)得到的亚轨道运载火箭动力学方程进行离散；