火星探测器气动外形∕弹道一体化多目标优化.pdf

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1、航空学报Sep．252014V01．35No．92461-2471ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cndoi：10．7527／$1000—6893．2014．0011火星探测器气动外形／弹道一体化多目标优化丰志伟，张青斌*，高兴龙，唐乾刚，杨涛国防科学技术大学航天科学与7-程学院，湖南长沙410073摘要：针对火星探测器概念设计阶段的需求，提出了融合气动外形、弹道和开伞条件的一体化多目标优化设计方法。首先建立了火星探测

2、器进入段三自由度弹道运动方程，基于修正牛顿理论推导了适用于具有较大半锥角球锥外形的气动参数估算模型，采用Sutton—Graves公式计算了驻点热流密度。以开伞高度、总吸热量和容积率为目标函数建立了火星探测器气动外形／弹道一体化多目标优化模型，采用基于分解的多目标进化算法(MOEA／D)进行求解计算并与参考设计进行了对比。数值结果表明：多目标优化方法提供多个三目标均优于参考设计的Pareto最优解，为火星探测器的概念设计提供了一定的参考依据。关键词：火星探测器；多目标优化；基于分解的多目标进化算法；气动外形；概念设计中图分类号：V421．1文献标识码：A文章编号：1000—6

3、893(2014)09—2461—11作为距离地球最近的行星之一，火星一直以来都是人类进行深空探测的重要目标llj，探测器进入、减速和着陆(Entry，DescentandLanding，EDL)技术则是深空探测实施过程的关键技术之一。火星上的进入与着陆过程与地球上的方式类似，进人大气层后一般先通过着陆舱的气动外形减速，然后弹出降落伞进一步减速，最后在近地着陆时采用制动发动机、气囊、缓冲支腿等方式实现着陆器的软着陆[2]。由于进入过程中环境和飞行状态变化剧烈，火星探测器气动外形和进入参数(如速度倾角)的选择都对弹道分布、受热、过载、降落伞开伞等产生影响，并最终影响到着陆精度和

4、安全性。在进入段，火星探测器首先利用气动外形进行减速，关注的指标包括容积率、俯仰静稳定性、开伞高度、最大过载和总加热量等[3。4]，涉及气动和弹道两个主要学科。由于这些指标通常具有冲突性，因此需要综合考虑多个学科，并进行多目标优化设计。目前，在火星探测器的优化设计中，通常分解为气动外形设计和弹道设计。在气动相关的优化设计中，Theisinger和Braun[3]基于有理B样条参数化外形，以阻力面积、容积率和俯仰静稳定性为目标函数，采用NSGA—II进行了气动外形的多目标优化设计；Johnson等[5]基于梯度优化算法分别对气动性能、静稳定性、驻点热传导等目标进行优化，得到了不

5、同的探测器外形。在弹道优化设计方面，Grant和Mendeck[61等基于多目标粒子群算法进行了进入弹道的多目标优化设计；任高峰等[1’7]基于伪谱法进行了火星精确着陆的轨迹优化设计。在耦合弹道的一体化分析方面，王俊等[81考虑弹道和气动热构建了动态烧蚀算法，收稿日期：2013—12-05；退修日期：2013．12-25；录用日期：2014·03-05；网络出版时间：2014-03-0714：16网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—68932014．0011．htmI基金项目：国家自然科学基金(51375486)*通讯作者

6、Tel：0731—84576436E-mail：qingbinzhang@sina．com戮吊蕃式lFengZW，ZhangoB，GaoXL，etalAerodynamicshapeandtrajectoryintegratedmultiobjectiveoptimizationforMarsexplorer[JIActaAeronauticaetAstronauticaSinzca．2014．35(9)：2461-2471．丰志伟．张青斌．高兴龙．等．火星探溯器气动外形／弹道一体化多g标优化[J]．航空学报，2014．35(9)：2461-2471．航空学报并对热防护材料的

7、烧蚀过程进行了仿真分析；侯黎强等[93结合弹道、气动和结构传热等学科，提出了半解析法一体化模型，以MER—B为对象进行了仿真分析。综上所述，将气动、弹道综合考虑进行多目标优化设计的研究并不多，大多数研究只针对其中的一部分。由于目标之间具有冲突性，本文采用多目标优化方法对火星探测器气动外形和弹道进行一体化多目标优化设计。目前，主要的多目标进化算法(Multi—objectiveEvolutionaryAlgorithm，MOEA)，如飞行器设计中应用较多的NSGA—II[1⋯，大部分使用种群进行多点搜索，