[發明專利]一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法

在審

• 申請號: 202110769711.5
• 申請日: 2021-07-07
• 公開（公告）號: CN113485108A
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 何驍;譚述君;吳志剛;張立勇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

1.一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法，其特征在于，包括

離線遍歷大量的推力下降故障狀態，構建任務重構問題，使用凸優化方法對所述任務重構問題求解近似軌跡，以所述近似軌跡作為初值，采用自適應配點法獲取最優救援軌道與其對應飛行軌跡；

從所述最優救援軌道對應的飛行軌跡中提取最優軌跡，對所述最優軌跡按離散的飛行時間節點插值，產生“故障狀態-最優軌跡”數據集；

采用最大最小法對數據集進行歸一化處理，將所有數據規范化到[-1,1]之間，通過正交最小二乘法選擇徑向基神經網絡數據中心，其中徑向基函數為高斯基函數，離線訓練所述徑向基神經網絡，從而建立故障狀態到最優軌跡關系；

將所述徑向基神經網絡遷移到火箭實際飛行中，以飛行的故障狀態作為輸入，該徑向基神經網絡在線決策出近似最優軌跡；利用決策出的所述近似最優軌跡為初始猜測值，采用自適應偽譜法在線求解得到最優救援軌道與飛行軌跡。

2.根據權利要求1所述一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法，其特征在于，所述數據集的輸入特征是故障狀態，該故障狀態包括推力故障的時刻、推力下降的大小、位置、速度和質量；所述數據集的輸出特征是狀態變量序列、控制變量序列。

3.根據權利要求1所述一種推力下降故障下運載火箭上升段智能任務重構方法，其特征在于，構建任務重構問題，具體為：

設X₁軸在赤道平面內指向發射時刻本初子午線方向，Z₁軸垂直赤道平面指向北極，Y₁軸滿足右手定則，在地心慣性坐標系中建立火箭的上升段二級飛行動力學方程如下：

式中r，v分別為運載火箭的位置、速度向量，為r的一階導數，為v的一階導數；μ＝GM為地球引力常數，G為引力常量，M為地球質量；m為火箭的總質量，為m的一階導數，I_sp為火箭的發動機比沖；u＝[u_x,u_y,u_z]^T為發動機的推力單位矢量分量；當發動機發生故障，推力下降的比例是η，推力大小是(1-η)T_nom，T_nom是發動機標稱推力；g₀為重力加速度；

在推力下降故障情況下，發動機比沖不變，推進劑的秒耗量下降η，總飛行時間超過標稱的飛行時間，假定發動機推力下降故障出現時刻為t₀，運載火箭需要以t₀時刻的狀態為起始點優化救援軌跡，因此起始點等式約束條件表示為：

x(t₀)＝x₀ (4)

式中，x₀是起始點的狀態；

用m_f表示剩余燃料耗盡后運載火箭與有效載荷的總質量，地球半徑是R₀；定義最低安全軌道高度為h_safe，終端質量和高度應當滿足：

m(t_f)≥m_f,h_safe≤r(t_f)-R₀ (5)

在故障較嚴重但非致命的情況，為保證救援軌道的高度，最優救援軌道定義為：故障發生時的軌道平面上的最高圓軌道；在這種情況下，任務重構問題為尋找最高圓救援軌道的最優控制問題Problem 1，如下所示：

Problem 1

其中，發動機推力下降故障出現的時刻是t₀，x₀是推力下降故障出現的狀態；飛行的終端時刻是t_f，終端時刻相關的變量下標是f；a_f,e_f,i_f,Ω_f,ω_f分別是入軌點所在軌道的半長軸、偏心率、傾角、升交點赤經、近地點幅角；軌道傾角i_f和上升點的經度Ω_f決定了軌道平面，半長軸a_f、偏心率e_f和近地點角ω_f決定了軌道形狀；m_f是終端的總質量，hp_f為入軌軌道的近地點高度；m_empty表示剩余燃料耗盡后運載火箭與有效載荷的總質量，h_safe為最低安全軌道高度。