多学科设计优化在空间站太阳翼构型设计中的应用

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1、第22卷第3期航天器工程V01．22No．32013年6月SPACECRAFTENGINEERING25多学科设计优化在空间站太阳翼构型设计中的应用王开强张柏楠(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要论述了空间站太阳翼构型的优化问题及应"-3考虑的设计参数、设计约束、优化目标以及组装建造阶段，分析了优化问题涉及的学科和参数耦合关系；以一个虚拟的空间站服务舱为例，探讨了其太阳翼构型优化建模，给出了3个单目标优化模型，包括设计变量、约束条件和目标函数，比较并说明了优化结果，表明优化合理有效。关键词太阳翼构型；空间站；多学科设计优化

2、中图分类号：V476文献标志码：ADOI：10．3969／j．issn．1673—8748．2013．03．004ApplicationofMultidisciplinaryDesignOptimizationtoSolarArrayConfigurationofSpaceStationWANGKaiqiangZHANGBainan(InstituteofMannedSpaceSystemEngineering，ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China)Abstract：Thispape

3、rcarriesoutananalysisofoptimizationproblemforsolararrayconfigurationofspacestation，inwhichthedesignparameters，therestrictions，theoptimizationobjectivesaswellastheassemblingphasesaretakenintoaccount，andthenthecouplingrelationoftherela—tivedisciplinesandparametersareanalyzed．I

4、naddition，avirtualservicemoduleofspacestationistakenasanexample，modelingoftheoptimizationforitssolararrayconfigurationisdiscussed，andthreesingle—objectiveoptimizationmodelsaregained，includingdesignvariables，constraintsandobjectivefunction．Furthermore，theoptimizationresultsar

5、ecomparedandexplained，andtherationalityandtheeffectivenessoftheoptimizationarevalidated．Keywords：solararrayconfiguration；spacestation；multidisciplinarydesignoptimization1引言空间站是一种较为复杂的航天器，其涉及轨道、构型、电源等多个学科。设计时必须综合考虑学科之间的耦合因素，否则会出现问题，例如太阳翼的发电问题。苏联／俄罗斯的和平号空间站运行过程中，就出现过各舱太阳翼相对于太阳

6、光线互相遮挡，致使其电力供应严重短缺，许多科学实验无法进行的问题，直接影响了空间站的正常运转[1]。这实际上是构型、轨道、能源等学科间耦合带来的空间站太阳翼构型多学科设计问题。传统的串行迭代式设计方法，在设计效率和设计质量等方面略显不足；而多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimiza—tion，MDO)，作为一种考虑学科耦合关系、旨在解决复杂设计优化问题的方法，提供了一种有助于提高设计效率和质量的思路和途径[2]。空问站太阳翼构型设计问题，涉及的学科众多，收稿日期：2012—12—17；修回日期：2013—04

7、—14作者简介：王开强(1988一)，男，硕士研究生，从事航天器总体设计研究工作。Email：wangkaiqian91988@163．COrn。航天器工程学科间耦合关系复杂，本文仅对多学科设计优化的理论方法在太阳翼构型设计中的应用进行初步研究。首先，介绍了太阳翼构型优化需要考虑的因素、学科等；其次，结合一个虚拟的空间站服务舱算例，论述了其太阳翼构型优化建模的方法与过程，得到了优化模型及对应的优化结果。本文的研究结果，可为我国空间站太阳翼构型优化提供借鉴。2空间站太阳翼构型多学科优化问题2．1优化问题考虑的因素1)太阳翼构型设计参数对设计元素进

8、行参数化是优化的前提。对于空间站的太阳翼构型设计，一般是根据已初步设计完成的舱段基本结构与构型，设计出满足要求的、较优的太阳翼构型方案，其设计参数有4