多目标蚁群算法及其在固液混合火箭发动机系统优化设计中的应用

为了提高求解多目标优化问题的Pareto解集的效率,建立了适用于多维、多目标优化问 题的多目标蚁群算法（Multi\|objective Ant Colony Algorithm,简称MACA）。该算法首 先修正了蚁群算法的信息素更新机制和转移概率,然后改进了蚂蚁的行进策略,即提出了依 概率选择搜索策略。最后,应用该算法对某型号固液混合火箭发动机系统进行了优化设计。 计算结果表明,多目标蚁群算法获得的Pareto解集分布均匀、散布范围广,可以有效解决多 目标优化问题,能为决策者进行目标权衡提供充分依据。
     

并联式固液上面级动力系统研究

探索了固液火箭发动机作为上面级动力系统的性能特点;采用气瓶、贮箱和燃烧室并联布局的结构,有效减少了固液火箭发动机的长细比;建立了固液火箭发动机系统设计的数学模型,采用多岛遗传算法,开展了并联式固液火箭发动机总体方案的设计优化;优化结果与某固体火箭发动机上面级的比较说明,固液火箭发动机在上面级动力系统中具有较大的应用潜力.     

固液混合火箭发动机研究进展

固液火箭发动机因其推进剂能量较高、安全性好、易实现推力调节、可实现多次启停、药柱稳定型好、温度敏感性低、环保性佳和经济性好的特点,十分符合下一代航天平台绿色环保、智能随控、快速响应的发展需求,在探空火箭、亚轨道飞行器、靶标、小型运载火箭、助推器、上面级动力系统、姿轨控动力系统、着陆器和其他许多民用商业航天领域中都具有良好的应用前景。分析了固液火箭发动机的国内外发展现状及发展趋势,对国内外固液火箭发动机相关的典型项目、工程应用和关键技术发展情况进行了回顾和总结,并以此为基础总结固液火箭发动机技术的发展趋势和有待进一步突破的关键技术。     

超燃冲压发动机变结构进气道设计

针对超燃冲压发动机宽马赫数、攻角范围内高性能工作要求,建立了基于多目标优化的变结构进气道设计方法,获得了进气道结构随马赫数和攻角变化的调节规律。以总压恢复系数、压升比和阻力系数为优化目标,以二维混压式进气道为对象,采用遗传算法进行了基准进气道优化设计,得到Pareto非劣解;以一组Pareto非劣解为基准,在不同马赫数和攻角下进行了进气道变结构优化设计,拟合得到进气道结构随马赫数和攻角变化曲线。仿真结果证实了理论分析的正确性,并发现进气道变结构实现了发动机大范围内高性能工作;进气道高度可变,使得发动机在亚燃和超燃模态均能正常起动和稳定工作;以高马赫数作为设计马赫数,变结构设计后,发动机性能提高。     

基于并联协作混合遗传算法的高超声速巡航飞行器一体化优化设计研究

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解，不需要目标函数和约束条件的梯度信息。适合于工程优化设计。为增强遗传算法的局部搜索能力，提出了一种新的融合模式搜索方法和Powell方法的并联协作混合遗传算法。研究超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器的一体化优化设计。系统分析了机身和超燃冲压发动机设计参数对飞行器总体性能的影响。通过建立高超声速巡航飞行器质量模型、气动力估算模型、气动热估算模型、超燃冲压发动机性能分析模型、控制模型和弹道分析模型，在满足参考任务要求的前题下，以飞行器起飞质量为目标函数，将并联协作混合遗传算法应用于最优总体方案和超燃冲压发动机方案一体化设计。完成了6设计变量的全局优化计算。算例表明，本文建立的一体化设计模型基本正确，并联协作混合遗传算法是用于高超声速巡航飞行器一体化优化设计的较好的优化算法。     

固液混合火箭发动机在武器与航天领域的应用

系统介绍了固液混合火箭发动机的主要特点及其应用.固液混合火箭发动机具有能量高、容易进行推力调节、可多次启动、可靠性高、安全性好、成本低等优点.在武器领域用做导弹的发动机,可使导弹具有射程远、突防能力强、低易损、易于实现能量管理等优点;用于军用航天器的轨道机动发动机,可具有优良的轨道机动性能;在民用航天领域可以用做运载火箭助推器,不仅能量高、环境友好,而且对于载人航天而言具有突出的安全性能;用于上面级发动机则具有多次启动、轨道机动能力强、在轨工作时间长等优点;用于姿轨控发动机和变推力发动机具有推力调节精确、绿色环保等优点.总之,固液混合火箭可满足航天技术发展对多种高性能发动机的需求.通过分析提出了发展固液混合火箭发动机的若干建议.     

多目标进化算法在航天器转移轨道中途修正中的应用

理论上只要根据初始轨道转移点和目标轨道进入点的信息,计算并产生转移所需速度增量,就可以完成航天器的轨道转移.但是由于误差的影响,需要在转移轨道飞行中进行中途修正,修正时刻的选择决定了入轨精度和燃料消耗.本文选择二次修正策略,设计了一种多目标进化算法,以Pareto秩和小生境参数共享函数计算个体适应度,采用共享函数选择法、自适应变异法进行遗传操作.同时构造外部种群储存Pareto最优解,并引入最优解集边界值以加快算法收敛至非劣解集前端的速度.通过仿真验证,该算法能够较完整地得到中途修正时机问题的Pareto最优解集,且分布均匀,满足工程实际的需要.     

固体火箭发动机总体优化设计

通过遗传算法与惩罚函数相结合对固体火箭发动机总体进行优化设计,令体积比冲IV为目标函数,并采用交叉概率和变异概率的自适应调整性,有效地加快了搜索.用此方法对算例发动机各参数和目标函数优化,避免了设计变量之间较为复杂的相互关系,得到固体火箭发动机体积比冲的全局最优解,提高了整体性能.     

带燃料均衡的空间多飞行器编队重构的轨道规划方法

航天任务需求的多样化对空间多飞行器编队重构的轨道规划问题不仅提出了燃料或时间最优的要求,还提出了燃料和时间最优以及燃料均衡的要求。将带燃料均衡的多飞行器编队重构的轨道规划建模为一个多目标优化问题,通过将进化计算与问题领域的知识相结合,提出了一种基于小生境进化算法的最优轨道规划方法。该方法能从变轨时间、燃料消耗和燃料消耗方差三方面分别评价一个变轨方案的最优性,并且一次规划能够提供多个Pareto最优变轨方案。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性,还揭示了编队重构轨道规划问题的三个优化目标之间的关系,对于制定任务计划具有重要的参考价值。     

基于多目标遗传算法的固体火箭发动机面向成本优化设计

多目标优化设计的概念和方法被方法用于面向成本设计，采用一种基于Pareto最优解的多目标遗传算法－－NSGA－Ⅱ算法，以某固体火箭发动机为算例，利用成本模型和工程模型，以产品的性能和成本作为目标函数进行了多目标优化设计，计算结果表明，NSGA－Ⅱ算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，算法收敛性和鲁棒性好，基于NSGA－Ⅱ算法的面向成本多目标优化设计方法为产品在方案阶段开展性能和成本之间的权衡分析提供了有效的工具。     

基于物理规划的固体火箭发动机不确定性优化设计

在基于建模与仿真的固体火箭发动机设计过程中客观存在许多不确定性,决策不确定性定义为设计与优化问题描述和决策过程中存在的模糊性。传统优化设计模型将优化设计问题作为确定性问题求解,可能会漏掉真正的工程实际可接受的最优结果。采用物理规划方法建立优化设计模型,可得到综合满足多个设计准则的Pareto解。以固体火箭发动机总体方案优化设计为例,证明了物理规划方法作为固体火箭发动机设计决策不确定性建模方法的有效性。     

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。     

固液火箭发动机在远程空空导弹中的应用

为提高远程空空导弹性能,基于不死鸟导弹及其原有固体发动机的基本性能,开展了固液火箭发动机作为动力系统的远程空空导弹方案设计,通过固液火箭发动机的多次启动提高导弹飞行性能。采用多岛遗传算法,设计优化得到了替代不死鸟原固体火箭发动机的固液火箭发动机方案,对发动机总体进行参数化仿真,得到导弹模型,并对导弹进行了气动估算和飞行仿真与分析。结果表明:固液火箭发动机可以显著提升远程空空导弹的射程和速度特性,具有良好的发展前景。     

跳跃式导弹弹道设计与优化

详细介绍了跳跃式导弹的概念及其特点,并针对某二级导弹(一级为固体火箭发动机,二级为间隔可调双脉冲固体火箭发动机),根据跳跃式导弹的飞行特点,提出了一种飞行程序角的设计方法,给出了飞行程序角的表达式,并建立了跳跃式弹道优化模型。在跳跃式导弹概念设计阶段,在总体参数给定的情况下,弹道的设计与优化能最大限度地提高导弹的性能,利用混合遗传算法对跳跃式导弹弹道进行了较详细全面的设计与优化,并作了比较。结果表明,该方法适用于跳跃式导弹方案论证和初步设计。     

小型固体运载火箭运载能力分析

针对控制系统,采用姿控发动机和格栅舵的小型多级固体运载火箭开展了运载能力分析研究.给出了运载火箭飞行方案,提出了一种飞行程序角的工程设计方法.给出了姿控发动机工作模型,建立了六自由度弹道计算和优化模型,采用混合进化算法进行弹道优化,并给出了仿真算例.仿真计算及分析表明,小型多级固体运载火箭满足发射小卫星的运载能力要求,姿控发动机推进剂分配方案合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据.     

平行坐标可视化技术在固体火箭发动机优化设计中的应用

由于笛卡尔坐标系的制约,多变量分析及显示成为复杂固体火箭发动机设计优化的难点之一。将平行坐标可视化技术应用于固体火箭发动机设计优化过程,以高压强固体火箭发动机总体参数优化为例,针对不同优化阶段提出不同赋色原则,说明其在发动机设计优化辅助建模、优化过程监控和优化结果鲁棒性分析中的应用。研究结果表明,平行坐标可视化技术在处理固体火箭发动机设计优化多变量分析及显示问题上具有简单、直观等独特优势,易于工程应用。     

基于MATLAB的现代优化算法在飞行器气动外形设计中的应用

本文发展了MATLAB语言环境下的现代优化算法，包括遗传算法、模拟退火算法和基于分支联赛选择的多目标遗传算法，并用来求解高超声速飞行器气动外形参数优化问题。所研究的气动外形为带控制舵飞行器和可变弯体飞行器。在MATLAB环境下，求解了最大化升阻比的单目标优化问题和具体有两个冲突目标（最小化铰链力矩并且最大化平均操纵效率）的多目标优化问题。实际算例表明，在快速有效的气动力分析方法辅助之下，本文所发展的MATLAB现代优化算法可以在飞行器初始设计中发挥作用。本文所提供的现代优化算法是对MATLAB优化工具箱的一个有益的扩展。     

固体火箭发动机特性对空射滑翔式弹道飞行器性能影响分析

为研究空射滑翔式弹道飞行器固体火箭发动机特性对飞行器综合性能的影响,构建了基于序列二次优化法(SQP)的弹道优化模型,设计了多套不同推力形式、不同特性参数的固体火箭发动机方案。通过开展空射滑翔式弹道飞行器弹道仿真分析,获取了不同动力特性下的最优爬升攻角变化规律,对比分析了相关弹道特征指标。结果 表明:采用长时间-小推力...     

空中发射运载火箭弹道优化设计

以现有空中发射运载火箭"飞马座"(Pegasus)为研究对象,研究了空中发射运载火箭的弹道优化设计方法。在建立的空中发射运载火箭动力学模型的基础上,考虑空中发射火箭独特气动外形,设计发射全过程的飞行控制模型;给出了使用遗传算法(GA)筛选弹道优化问题全局最优初值,并交叉运用起作用集算法(ASM)与内点法对GA算法获得的初值二次寻优,从而获得空中发射火箭弹道的分级优化设计方法,另与"飞马座"空中发射运载火箭的弹道数据对比,验证了该分级优化方法相比传统弹道优化设计方法,适用的目标轨道范围广阔,发射位置灵活,能够更大程度挖掘空中发射运载火箭的运载能力。