多学科设计优化在载人航天器构型设计中的应用研究

《多学科设计优化在载人航天器构型设计中的应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第19卷第3期2013年5月载人航天Mannedspaceni曲tV01．19No．391多学科设计优化在载人航天器构型设计中的应用研究胡添元，史士臣(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要提出一种将二级优化应用于载人航天器构型设计的方法，并以此为基础设计了面向载人航天器总体设计的多学科设计优化实施流程，包括总体优化、分系统优化和多学科模型生成器3个部分，分别完成：总体优化的任务，即优化全局设计变量，使总体目标最优；分系统优化的任务，即调整局部设计变量，满足分系统设计要求，并使分系统目标最优；多学科模型生成器，根据载人航天器构型自动生成

2、各分系统计算模型。通过分析多学科设计优化(MDO)计算环境特点，提出建立载人航天器MDO计算环境的方法，为载人航天器总体设计提供一种新途径。关键词载人航天器；多学科设计优化；总体设计；二级优化；计算环境中图分类号：V423．7v421．1V57文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)03一0091—061引言载人航天器研制中，总体设计涉及总体指标论证与分配、分系统方案设计、总体方案优化设计、系统方案验证等工作，其设计水平不仅会影响航天器总体性能的先进性、安全可靠性和航天器工作寿命【1，2】，而且也对缩短研制周期、节省研制经费起着重要作用。载

3、人航天器总体设计最终目标是定出最优的总体方案。传统的载人航天器总体设计过程按序列展开，通常根据经验公式或工程估算方法来初步确定总体参数，并通过不断的设计迭代，得到满足任务需求的方案。这种设计模式往往忽略了学科之间的耦合关系，且学科间的协调主要依靠经验，并没有充分利用各个学科子系统之间内在关系和相互影响可能产生的协同效应，极有可能失去系统的整体最优解。多学科设计优化(MultidisciplinaryDesignOptimiza—tion，MD0)的出现为载人航天器总体设计提供了一种新途径。本文首先阐述MD0方法的特点及其在航天器设计中的应用；然后介绍基于

4、代理模型的二级优化方法；基于该方法，设计一种面向载人航天器总体设计的MDO实施流程。最后，给出建立MDO计算环境的方法。2MD0方法特点及其在航天器设计中的应用20世纪90年代初美国航空航天学会(AmericanInstituteofAemnauticsandAstronautics，AIAA)率先提出了MDO这一研究领域，按照美国国家航空航天局(NationalAemnauticsandSpaceAdministration，NASA)对MD0的一般定义，MDO是一种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论【3】。近十几

5、年来，多学科设计优化作为一种先进的设计方法，受到了广泛关注【4】。收稿日期：2013一Ol—17；修回日期：2013一04一11作者简介：胡添元(1981一)，男，博士，工程师，主要从事载人航天器总体多学科设计优化工作。E—mail：hutiaIlyuaIl0401l@126．com载人航天第19卷针对载人航天器这个系统而言，载人航天器总体MDO的含义是，基于MDO理念，将各学科的高精度分析模型和优化技术有机地集成起来，寻找载人航天器最佳总体方案的一种设计方法。与传统载人航天器总体参数优化方法相比，其主要优势在于：分析模型中采用各学科已发展成熟的数值分析

6、模型法，计算精度高，从而可提高总体设计优化的可信度；不依赖统计数据或经验公式，可用于新型载人航天器总体设计；充分考虑到各学科之间的耦合关系，在各学科优化协调基础上寻找全局最优设计方案。目前，在航天器总体设计中广泛应用了MDO技术。如Hassan等对地球同步卫星概念设计方法进行了研究，采用遗传算法，以卫星质量为设计目标，对14个变量进行了优化设计引。Cullimore等在光，热／结构集成模型的基础上，采用商用软件工具，进行热、结构和光学系统的分析，并利用iSIGHT进行集成优化【61。Irene等利用协同优化方法进行了天基跟踪与监视系统的概念设计m。赵勇等

7、应用多学科设计优化方法和产品数据管理技术，建立了一个可用于任务分析、概念设计和概念优化的卫星集成设计环境[8】。裴晓强等应用协同优化算法对卫星结构、姿轨控和电源等分系统进行了优化设计【9]。从国内外航天器总体MD0研究状况可以看出，在载人航天器总体设计领域中尚未应用MD0技术。鼍滞毒希阵骞3载人航天器构型参数优化问题载人航天器构型设计和优化的前提是对载人航天器构型进行参数化描述。本节首先给出一种载人航天器构型参数化模型，然后定义并讨论载人航天器构型参数优化问题。3．1构型参数化定义典型载人航天器构型按功能特点可分为对接舱、服务舱和推进舱三部分，如图1所示

8、。对接舱位于最前端，为密封结构，呈球状体，满足对接和停泊要求。服务舱位于中段，为