高超声速飞行器非连续点火助推增程弹道设计

针对高超声速飞行器因防热烧蚀而制约整体射程的问题,创新提出了一种非连续点火助推方案,通过增大助推段射程的弹道设计方法提高飞行器整体射程能力,减轻后续段的射程压力。综合考虑动压、过载、控制和终端高度、速度、弹道倾角等约束条件,以助推段射程最大为目标函数,设计了非连续点火助推段飞行程序和纵向平面弹道优化模型,采用改进的梯度粒子群算法进行优化求解。仿真结果表明,改进的梯度粒子群算法能有效解决非连续点火助推弹道设计问题,设计的非连续点火助推弹道方案在满足各项约束的同时,助推段射程比连续点火方案提高了8.7倍,射程达到了4 800 km,增程的效果十分明显。     

亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。     

基于增强协同优化的助推-滑翔导弹概念研究

针对一种两级运载器、滑翔级翼身组合体外形的导弹方案,采用多学科设 计优化方法研究了包括两级发动机装药量、工作时间、滑翔级翼面形状和助推-滑翔弹道在 内的优化设计问题。将系统分为总体、气动、发动机、弹道四个学科。采用增强协同优化方 法进行分解协调优化。目标函数为最大射程和最小总加热量的加权和,约束条件为驻点热流 、导弹质量、滑翔段终点速度、高度等。采用试验设计方法进行不同外形的气动力计算,并 构造响应曲面。结果表明该MDO方法可适用于助推-滑翔导弹的概念研究。
     

基于hp自适应伪谱法的多脉冲导弹弹道优化设计

针对多脉冲导弹非连续助推的特点,基于hp自适应伪谱法研究了多约束多阶段的弹道优化设计问题。结合多脉冲导弹的工作过程,给出了弹道的分段准则,在考虑过载、动压及终端弹道参数等约束条件下,建立了运动学模型以及多约束多阶段全弹道优化模型。为解决Radau伪谱法处理复杂优化问题时存在的局限性,提出了一种基于hp自适应伪谱法的求解策略,对其最大射程的弹道进行了优化设计,并与传统的最大升阻比方案所得的结果进行了比较分析。仿真结果表明,该方法能有效解决多脉冲导弹弹道优化问题,射程比最大升阻比方案提高了7.8%,研究结果可为多脉冲导弹的弹道总体设计提供参考。     

助推-滑翔导弹弹道优化研究

针对助推-滑翔导弹的弹道优化问题,给出了一种求解其最大射程弹道的分段优化方法,建立了其纵平面运动模型和弹道优化模型。在考虑攻角绝对值、攻角变化率、法向过载、分离点攻角衔接及落地条件等约束下,应用序列二次规划法求解了其最大射程弹道。分析表明,助推-滑翔导弹比传统弹道导弹射程显著提高,其最优弹道的起伏有助于增大射程和提高突防能力。     

协同优化在固体弹道导弹概念设计中的初步应用

讨论了标准协同优化方法的流程和特点,并针对固体弹道导弹系统的特点,设计了集成质量、动力、气动、外形和弹道5个学科的弹道导弹多学科设计优化模型.采用协同优化方法集成各学科的知识,协调处理各学科之间的耦合变量,应用合理的优化策略有效地解决了在弹道导弹多学科优化设计中的耦合关系所带来的计算问题,并对该模型成功进行了多学科优化设计,得到了优化方案.研究不但证明了协同优化方法在固体弹道导弹多学科优化设计中的有效性,还表明协同优化方法可使各子学科专注于本学科的优化设计,并使用本学科已有的分析工具,无需考虑对其他学科的影响,这方面相对于其他高要求的MDO方法具有较明显优势.     

月球巡视器的系统设计优化方法研究

通过月球巡视器的任务分析,指出了巡视器设计中遇到的难题。针对这些难题,在系统工程方法的基础上,借鉴多学科设计优化的思想,提出了月球巡视器的系统设计优化方法。该方法基于月球巡视器的约束条件,在系统层和产品层两个层面开展设计优化,每层分成三个阶段。系统层强调系统设计,保证系统方案的最优,产品层强调单机或部组件设计,确保产品方案最优。嫦娥三号巡视器通过该方法的应用,使其在满足多项约束的前提下各项性能指标达到最优,也验证了该方法的正确性和合理性。此方法对功能复杂、约束严格的航天器具有一定的参考价值。     

一种新的多学科设计优化方法

针对协同优化方法自身结构存在的缺陷,对其加以改进,提出一种新的单级多学科设计优化方法(ACO)。将协同优化方法中的系统相容性约束作为另一个目标函数与原来系统级目标函数交替进行优化,从而直接避免了原协同优化方法中由于相容性等式约束而带来的系统级优化求解计算困难等问题。测试结果表明新方法是可行的。     

飞行器固体火箭助推器设计优化方法比较

综合考虑飞行器总体设计约束、轨道设计、气动特性与固体火箭助推器设计间相互影响的情况下,建立了飞行器固体火箭助推器总体/气动/轨道/动力多学科的系统分析模型和设计优化模型。采用传统设计优化方法和多学科设计优化(MDO)方法进行了固体火箭助推器设计优化。结果表明,固体推进单学科的最优设计不等价于飞行器总体多学科的最优设计;与传统设计优化方法相比,MDO方法一次设计优化就可得到满足飞行器总体设计指标的最优设计,得到内外弹道相匹配的助推器最优推力-时间曲线。传统设计优化方法需要飞行器总体和固体推进学科两个设计优化过程不断迭代协调,容易漏掉满足飞行器总体设计指标的最优设计。采用MDO方法,可提高固体火箭助推器的设计质量,大大减少设计迭代次数,从而缩短设计周期。     

基于不确定性MDO的卫星总体优化设计研究

为了提高卫星总体设计质量,对基于不确定性多学科设计优化(UMDO)的卫星总体设计方法进行研究。首先提出了卫星总体的UMDO流程,重点对组织实现UMDO的优化过程进行了深入讨论。然后以某遥感小卫星的总体设计为例,对其UMDO数学问题进行了表述,采用UMDO优化过程对优化问题进行了组织与求解。优化结果表明,通过UMDO方法进行设计优化,能够在提高设计方案目标性能的同时,有效提高方案的稳健性和可靠性,验证了UMDO在卫星总体设计中快速形成稳健、可靠的优化方案的可行性和有效性。
     

试验设计在对地观测卫星系统顶层设计中的应用研究

针对对地观测卫星系统顶层设计中存在的仿真耗时、设计空间大以及非线性约束的特点,在其优化的不同阶段构建了试验设计的应用框架：优化初期采用正交设计方法确定系统的关键性能参数,中期采用均匀设计或拉丁方设计生成仿真方案并依此进行数值仿真,后期通过稳健设计考虑系统的噪声因素,保证最终方案的鲁棒性。该框架可以缩小对地观测卫星系统的仿真规模、缩短仿真时间、提高优化效率,保证解的质量,最后通过一个实例对优化框架的效果进行了验证。     

固体战略弹道导弹的多学科设计优化研究

运用多学科设计优化(MDO)方法对某固体战略弹道导弹的总体优化设计进行了研究.从满足固体导弹的MDO需求出发,基于第三代MDO理论,对固体导弹按学科分解为系统层(性能/弹道学科)和子系统层(推进学科、质量分析学科、气动学科),通过分析与建立以上各学科的优化模型及固体导弹的总体优化模型,以固体导弹起飞质量为目标函数将MDO单级优化过程中的同时分析与设计(SAND)过程应用于该固体导弹总体优化设计.与传统优化方法所得结果相比,固体导弹起飞质量减小15.1%,发动机结构质量减小23.3%,优化效率提高87%.算例表明,将MDO方法应用于固体导弹总体优化设计的思路可行.     

载人航天某装置人机交互式结构优化设计

为了解决复杂结构在动力学响应约束下优化的难题,综合人工以及计算机在复杂结构优化中的优点,提出一种人机交互式优化方法用于载人航天某复杂装置的优化设计。经过结构优化后的装置,在质量保持基本不变的情况下一阶振动频率提升41.1%,正弦试验条件下关心节点的最大加速度响应值减小24.3%,优化效果明显,满足优化设计要求,验证了该优化设计方法的可行、有效。     

航天器多学科设计优化研究综述

多学科设计优化方法是实现航天器"快、好、省"设计的有效手段.介绍了MDO方法的内涵及航天器多学科设计优化问题的系统表述;总结了航天器多学科设计优化研究在MDO系统建模、集成设计框架开发和MDO应用三方面的国内外进展情况,阐述了航天器多学科设计优化研究存在的困难,并指出多场耦合、分解协调策略以及MDO方法与设计流程的融合等问题是航天器多学科设计优化面临的主要难点;最后,讨论了航天器多学科设计优化理论研究与应用的发展趋势.     

航天器多学科设计优化研究综述

多学科设计优化方法是实现航天器“快、好、省”设计的有效手段。介绍了MDO方法的内涵及航天器多学科设计优化问题的系统表述；总结了航天器多学科设计优化研究在MDO系统建模、集成设计框架开发和MDO应用三方面的国内外进展情况，阐述了航天器多学科设计优化研究存在的困难，并指出多场耦合、分解协调策略以及MDO方法与设计流程的融合等问题是航天器多学科设计优化面临的主要难点；最后，讨论了航天器多学科设计优化理论研究与应用的发展趋势。     

火箭弹概念设计的多学科优化设计方法

为了在火箭弹概念设计阶段就可综合考虑质量、气动、动力及弹道等诸多学科的影响和耦合作用,引入了多学科优化设计方法。对该方法应用中的问题定义、基本流程、总体方案作了详细说明,对涉及的一些难点和关键点进行了分析,并给出了可行的解决方案。通过算例验证了该方法的可行性和有效性,与原型弹相比,单级推力方案的有效载荷比更高、最大马赫数更小、发动机工作时间更短;在射程基本不变的情况下,双级推力方案比单级推力方案的最大马赫数更小、火箭弹总的飞行时间更短,有效载荷比大幅降低。最后,讨论了包括密集度问题在内的进一步研究方向。     

固体运载火箭轨迹/总体参数一体化优化设计研究

研究多级固体运载火箭轨迹/总体参数一体化优化设计问题。建立了固体运载火箭轨迹/总体参数一体化优化设计相关数学模型,包括质量模型、动力模型、气动力模型和飞行程序控制模型,确定了轨迹/总体参数一体化优化问题的目标函数、设计变量和约束条件,提出了将自适应遗传算法和序列二次规划方法相结合的高效、高精度序贯混合优化算法,实现了固体运载火箭轨迹/总体参数一体化优化设计。仿真结果表明,与总体单位设计的原方案相比,优化方案运载火箭起飞质量减小13.62%,终端约束和路径约束均得到很好满足。其结果可为固体运载火箭总体优化设计研究提供理论参考。     

高超声速试飞器系统的多目标优化设计

为了将高超飞行器可靠地运载至理想工作条件,满足“平坦”型试验弹道和入轨点的 约束要求,在详细分析系统气动力特性、动力特性、结构特性、质量特性的基础上,以 起飞质量、高超动力飞行段射程倒数为目标函数,建立了试飞器系统的多目标优化模型,并 采用MOEA／D算法进行求解计算,在综合分析系统敏感稳健性的基础上,确定最终优化方案 。结果表明：最终优化方案在满足约束要求的前提下,其起飞质量大幅度降低,高超声速动 力飞行段射程(R2-R1)增加较多,验证了对试飞器系统进行多目标优化的必要性 和合理性。
     

姿控载荷多约束下的内外弹道联合优化

为提升固体运载器整体性能,提出一种姿控载荷多约束的内外弹道联合优化建模方法。首先,建立固体运载器内弹道计算模型和外弹道计算模型,给出大风区和级间分离的姿态控制模型以及杆状减阻装置载荷计算模型。其次,以灵敏度分析方法选择出内外弹道设计参数作为优化设计变量,将姿控摆角需求、减阻杆承载能力作为约束条件,建立以射程最优为目标的优化模型。最后,将该方法应用在某三级固体运载器的优化设计中,以差分进化算法开展仿真校验,射程提高了10.8%,并且优化结果满足姿控和载荷约束。     

磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。