كليدواژه :
بهينهسازي مسير , فرود نرم , كنترل بهينه , همواري ديفرانسيلي , منحنيهاي بياسپيلاين
چكيده فارسي :
در اين مقاله، مسيرهاي بهينه فرود نرم بر روي ماه بر اساس راهبردهاي متفاوت فرود، طراحي مي گردند. براي اين منظور، مسئله فرود نرم در قالب يك مسئله كنترل بهينه و براساس كمينه كردن مصرف سوخت، تعريف شده و با يك روش مستقيم تركيبي حل ميگردد. روش حل استفاده شده در اين مقاله، تركيبي از روشهاي هم نشاني مستقيم، برنامه ريزي غيرخطي، همواري ديفرانسيلي و منحني هاي بي اسپيلاين مي باشد. در اين روش، با استفاده از همواري ديفرانسيلي، معادلات ديناميكي فرود در كمترين فضاي ابعادي ممكن و با حداقل تعداد متغيرهاي حالت بيان مي گردند. همچنين، متغيرهاي حالت با منحني هاي بي اسپيلاين مناسب تقريب زده شده و نقاط كنترل اين منحنيها، به عنوان متغيرهاي بهينه سازي مسئله برنامه ريزي غيرخطي در نظر گرفته مي شوند. با استفاده همزمان از همواري ديفرانسيلي و منحني هاي بي اسپيلاين، تعداد متغيرها و قيود مسئله كنترل بهينه به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد و مسئله كنترل بهينه، با سرعت و دقت بالايي حل مي گردد. در اين مقاله، سه راهبرد مختلف براي فرود نرم بر روي ماه بررسي مي شوند. اين راهبردها بر اساس فرود مستقيم يا غيرمستقيم از مدار استقرار و نيز تفكيك مراحل ترمز افقي و نزول عمودي تعريف مي گردند. با توجه به مسيرهاي بهينه بدست آمده، ميتوان نتيجه گرفت كه با فرود غيرمستقيم از طريق يك مدار واسط، وسيله فضايي ميتواند با مصرف سوخت كمينه اي بر روي ماه فرود آيد. همچنين، با تفكيك مراحل ترمز افقي و نزول عمودي، مي توان مسير فرود كاربردي تري را بدست آورد.
چكيده لاتين :
In this paper, optimal trajectories of soft landing on the Moon are designed based on different landing strategies. For this purpose, the problem of soft landing is defined as an optimal control problem to minimize fuel consumption and is solved by a combinational direct method. The used solution method in this paper is a combination of direct collocation method, nonlinear programming, differential flatness and B-spline curves. In this method, by using differential flatness, dynamic equations of landing are expressed by the minimum number of state variables in the minimum dimensional space. Also, state variables are approximated by B-spline curves, and control points of these curves are considered as optimization variables of the nonlinear programming problem. By simultaneous use of differential flatness and B-spline curves, the number of variables and constraints of the optimal control problem decrease significantly and the problem is solved with high accuracy and speed. In the paper, three different strategies for soft landing on the Moon are investigated. These strategies are defined based on direct or indirect landing from the parking orbit and separation of horizontal braking and vertical descent phases. According to achieved optimal trajectories, by indirect landing from an intermediate orbit, the space vehicle can be landed on the Moon with minimum fuel consumption. Also, by separation of horizontal braking and vertical descent phases, a more applicable landing trajectory can be achieved.
