基于代理模型技术的返回舱外形优化

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1、第34卷第5期航天返回与遥感2013年10月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING7基于代理模型技术的返回舱外形优化12211马洋荣伟江长虹张青斌霍霖（1国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073）（2北京空间机电研究所，北京100094）摘要针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热条件，在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标，以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真(CFD)方

2、法，采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流，采用NSGA-II优化算法进行全局寻优，为了增强多目标优化设计的计算效率，利用Kriging代理模型替代CFD计算，并引入改进的EI函数加点策略，大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明，代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内，基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此，该方法能够较好地满足初步设计的要求，为返回舱外形优化提供有益的借鉴。关键词返回舱代理模型高超声速多目标多约束优化中图分类号:V411文献标志码:A文章编号

3、:1009-8518(2013)05-0007-07DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2013.05.002ConfigurationOptimizationofReentryCapsuleBasedonSurrogateModel12211MAYangRONGWeiJIANGChanghongZHANGQingbinHUOLin(1CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NUDT,Changsha410073,China)(2BeijingInstituteo

4、fSpaceMechanicsandElectricity,Beijing100094,China)AbstractThispaperinvestigatesthemulti-objectoptimizationdesignofreentrycapsuleconfigurationundertypicalhypersonicconditions,aimingatsatisfyingthecomplexaerodynamicheatingconditionsthatariseduringreentry,wherethelift

5、-dragratioanddragcoefficientarethetwoobjectswiththeconstraintsofthestagnationpointheatfluxandvolumeefficiency.TheNSGA-IIisutilizedtoperformthemulti-objectconfigu-rationoptimization.ForagivensetofconfigurationparametersgeneratedbytheNSGA-II,thethree-dimensionNavier-

6、Stokes(NS)equationandstructuregridComputationalFluidDynamics(CFD)methodareusedtocom-putethelift-dragratioanddragcoefficient,andtheFay-Riddellempiricalformulaisusedtoestimatestagna-tionpointheatflux.Toimprovethecomputationalefficiency,theKrigingsurrogatemodel,witham

7、odifiedExpectedImprovement(EI)samplingstrategytoreducethesamplenumber,isusedtoreplacetheCFDcompu-tationduringtheoptimization.TheoptimizedresultsindicatethattheKrigingsurrogatemodelcanreduceabout95%computationalcostandtheresultanterrorsarewithin7%whencomparedwiththe

8、CFD.Thus,thepro-posedmethodcanbeusedasapreliminarydesigntoolforreentrycapsuleconfigurationoptimization.Keywordsreentrycapsule;surrogatemodel;hype