为解决小升阻比月球返回舱再入大气层时安全性低、机动能力差的问题,提出采用一种带配平翼的中等升阻比返回舱做为月球采样返回舱,并对动压约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了一阶状态变量约束最优控制问题。然后采用庞德里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对动压约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低返回舱再入过程中的动压。
对月球返回舱跳跃再入大气层的初始再入段弹道特性与过载约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了跳跃再入的基本概念与优点,对不同再入角、不同升阻比情况下初始再入段的弹道特性进行了分析。然后采用庞特里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对过载约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低飞行过程中的过载。
针对基于最省燃料的月球软着陆轨迹优化问题进行了研究。首先通过改进的函数逼近法,将月球软着陆的轨迹优化问题转化为参数优化问题,并且使优化变量及状态变量均有明确的物理意义。然后利用增加了局部搜索策略的十进制蚁群算法对该优化问题进行研究。仿真算例证明十进制蚁群算法能快速地搜索到满足终端约束条件的最优月球软着陆轨迹,而且燃料消耗也与采用极大值原理得到的最优燃料消耗相当;同时与改进的遗传算法-自适应模拟退火遗传算法相比,在优化精度相差不多的情况下十进制蚁群算法收敛速度要快很多。仿真结果也说明增加局部搜索策略的十进制蚁群算法具有优良的全局和局部搜索能力。