随着航天技术的快速发展和航天活动的多元化与频繁化,航天发射的经济性、安全性、运载能力和灵活性显得愈发重要。本文以基于组合动力的可重复使用运载器为研究背景,针对总体参数模型、运动数学模型和优化模型建立,强耦合条件下的总体参数/轨迹协同优化设计,考虑发射时刻偏差的上升段三维轨迹优化设计以及多种不确定因素条件下的返回滑翔段在线制导等关键技术问题进行了系统深入的研究。主要研究内容包括以下几个方面:在分析水平起降可重复使用运载器特点和发展现状的基础上,设计可重复使用运载器总体方案,包括运载器的任务剖面、总体构型和气动参数等。针对可重复使用运载器采用组合动力这一特点,从热力学原理出发,充分考虑动力性能和运动状态间的相互作用关系,建立不同吸气式动力模态下的发动机数学模型;同时从求解运载器上升段最优轨迹的需求出发,提取影响组合动力系统性能的主要参数,为后续上升段轨迹优化问题求解奠定基础。此外,建立坐标系模型并给出坐标系间的转换关系,并在动力学分析的基础上建立组合动力可重复使用运载器的三维运动数学模型。针对组合动力可重复使用运载器上升段飞行中动力输出、约束条件、运动状态和性能指标间的复杂耦合关系,同时考虑动力系统对飞行状态及飞行环境提出的复杂约束条件,设计了一种全新的考虑多种动力模态的上升段攻角剖面。利用该剖面,可以解析预知上升段攻角及其变化率,使攻角约束在轨迹设计过程中更容易得到满足,因而可以降低优化算法的求解难度。此外,考虑到组合动力发动机参数和上升段攻角剖面设计参数协同优化问题中存在大量待优化变量,提出了一种改进的粒子群优化算法。在分析粒子群优化算法收敛性的基础上,通过动态惯性权重和扰动变异操作提高了算法的寻优能力;同时针对各优化参数物理意义和取值范围上的巨大差异,采用动态种群和多种群并行搜索的策略对粒子群优化算法进行了改进,解决了多参数/轨迹协同优化问题。在上升段借助气动力进行横向机动是水平起飞可重复使用运载器的重要特点之一,也是这类运载器相对于传统运载火箭的主要优势。本文考虑了有效载荷在入轨后的地面观测和太阳光照约束,建立了发射时刻计算模型。同时,以修正发射时刻偏差为出发点,通过解耦设计纵向和侧向飞行轨迹,将上升段三维轨迹优化问题转化为仅含四个未知量的参数搜索问题;其中,纵向轨迹负责构造轨道形状,而侧向轨迹负责修正轨道面方位。然后,设计了一种高维黄金分割算法,并与粒子群优化算法结合形成一种混合优化算法,用于计算最优三维上升段轨迹。最后,分析了水平起降可重复使用运载器相对于传统运载火箭在修正发射时刻偏差上的优势,验证了水平起降可重复使用运载器的发射窗口拓展能力。再入返回段是实现运载器可重复使用的关节阶段,而滑翔段占返回段的比重远大于其它阶段,因此本文重点对返回滑翔段轨迹进行研究。针对可重复使用运载器返回滑翔段轨迹,提出了一种滑翔段在线制导算法。首先,在高度通道内推导了返回滑翔段高精度解析动力学,并在此基础上得到了返回滑翔段过程约束和性能指标的解析表达式,为最优滑翔轨迹的快速求解提供基础。然后,提出了一种新的虚拟目标点概念;利用滑翔段解析解和虚拟目点,实现了对横程的在线控制以及对速度的精确耗散。不同于传统方式,本文提出的滑翔制导方法无需事先设计攻角或倾侧角剖面,无需在线积分预测终端状态,无需大量离线计算,无需设计高精度轨迹跟踪器;同时,该方法能够自动满足终端高度、位置和飞行路径角约束,因此制导精度和鲁棒性更高;另外,由于进行在线轨迹优化,本文提出的在线制导方法能够保证轨迹的最优性。