带子星航天器总体参数多学科设计优化

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011Vol32No．4628-635ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa，edu，cn文章编号：1000—6893(20lI)04—0628-08带子星航天器总体参数多学科设计优化吴蓓蓓，黄海*，吴文瑞北京航空航天大学宇航学院，北京100191摘要：针对带子星航天器总体参数多学科设计优化(MIX))问题，进行系统任务分析和学科耦合关系分析。考虑有效载荷、轨道和结构等学科设计变量和约束条件，

2、以航天器有效接近区和整星质量的综合指标为目标，建立MEK)模型和相应分析模犁。利用iSI(；HT软件搭建求解平台，采用基于罚函数的协同优化(CO)算法对所建立的MDO模型进行仿真计算，并得到合理结果，验证了所建立的MDO模型的合理性和CO方法求解航天器MIX)问题的有效性。对MIx)问题的建模和求解过程为航天器MDO『Ⅱ】题研究提供了一种典型示例，所建立的各学科分析模型Ⅱ『为同类问题提供参考。关键词：航天器；多学科设计优化；建模；分析；协同优化中图分类号：V423．4+I文献标识码：A多学科设计优化(MD0)方法是20世纪80年代中后期兴起的一种新的复杂T

3、程系统方法论，其已成功应用到多种复杂系统项目设计过程中，并逐步走向航天领域的应用研究。Budian—to[1]和陈琪锋【23等研究了星座系统的MDO；谭春林[3]和Ravanbakhsh[．1等对对地观测卫星进行了MDO研究；文献[53和文献E63分别对月球探测卫星和天基望远镜系统进行了MD0研究。MD()问题的建模(包含分析建模)是MD0研究的基础，对于航天器MDO问题应首先面向对象建立优化模型和分析模型，然后再选用合适的MDO方法进行求解。目前国内外关于航天器系统设计建模的研究相对较少，使MDO技术在航天器设计中的发展受到影响，为此本文针对带子星航天器

4、进行MD【)研究，试图为航天器MDo研究提供典型示例。带子星航天器是一类能释放多个子星的特殊任务卫星，子星具备自主接近目标能力，可携带不同设备实现对目标的支援、维修或其他任务，随着航天技术的发展，这类窄间任务日益受到关注。1卫星系统任务分析带子星航天器通过在轨释放子星实现对目标的空间支援，其中卫星在轨运行轨道称为待命轨道(ParkingOrbit)，子星自待命轨道飞向目标的轨道称为子星转移轨道。若卫星待命轨道不同于入轨轨道，卫星还需要进行Hohmann变轨进入待命轨道。整个卫星任务期间的飞行轨道示意图如图l所示。该类卫星设计首先应满足多目标支援的任务要求，

5、其次希望整星质量较小。其中，子星变轨能力和卫星待命轨道直接影响该类卫星支援目标的能力。一般来讲，子星可提供速度增量越大，支援目标能力越强，但由于推进剂和整星刚度等条件限制，因此整个卫星设计过程是一个需要综合考虑多目标、多约束，并涉及多个学科的复杂设计过收稿日期：2010-04-29：退修日期：2010-06-08；录用日期：2011—01-04：网络出版时闫：2010-0I-0712：05网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929V．20110107．1205．000．htmIDOI：CNKI：11-1929／V．2011

6、0107．1205．000*通讯作者．Tel．：010—82316611E-mail：hhuang@buae．edu．on科爱善武I吴蓓蓓．黄海．吴文瑞．带子星航天器总体参截多学辩设计优讫[J]．航空学擐．20tI．32(4)：628-635．WuBeibei．HuangHai．WuWenrui．Multidisciplinarydesignoptimizationofmainparametersofspacecraftwithsub-vehiclesfJ_7．ActaAeronauticaetAstronauticaS／n／ca。20¨．32(4)：62

7、8-635．吴蓓蓓等：带子星航天器总体参数多学科设计优化程。本文研究即针对总体设计阶段，应用MDO方法对子星可提供速度增量、卫星待命轨道和结构尺寸等总体参数进行设计优化。使卫星支援目标能力和整星质量达到综合最优，为丁程设计问题提供参考。图1卫星飞行轨道示意图Fig．1Sketchofsatelliteflightorbits2卫星系统MDO建模选取有效载荷、轨道和结构3个学科进行MD0建模和优化，卫星系统涉及的电源和控制等其他学科暂时只进行学科分析计算，不进行设计优化。2．1优化模型根据卫星任务要求，确定卫星系统优化目标为考虑支援目标能力强且整星质量小的综

8、合指标。有效载荷学科以子星可提供速度增量为设计变量；轨道学科以待命