50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm-5000rpm，额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS，通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究：以转子质量为优化目标，以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明，通过多学科设计优化，在满足设计要求的同时，使转子重量达到了最小化（4．09kg），提高了设计效率和设计质量，在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子高频自激振动的抑制

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中转子一阶弹性模态自激振动是影响磁悬浮高速转子系统稳定性的关键因素之一.自激振动通常可以采用陷波器（NF）进行抑制,然而引入NF或改变其参数以及转子转速的变化均会改变模态自激频率,因而难以直接准确地确定NF参数.本文提出一种仿真确定NF参数的方法,通过转子弹性模态缩减建模和模态参数确定得到准确的弹性转子动力学模型,进而采用闭环仿真优化确定NF中心频率和极点阻尼.采用该方法设计的NF有效抑制了转子的高频弹性模态自激振动,使得磁悬浮CMG转子可以稳定升速到24000r/min.实验结果验证了该方法的实用性和有效性.     

磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应的FXLMS自适应精确补偿控制方法仿真研究

在磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中，框架运动对磁悬浮转子支承系统的扰动可以采用角速率前馈加以补偿，但前馈系数固定时的补偿精度受磁轴承系统模型误差影响而显著下降。为了提高补偿精度，本文针对MIMO磁悬浮转子系统，提出一种基于FXLMS（filtered-X least mean square）算法的自适应前馈方法，采用梯度估计和最速下降策略推导前馈权值更新算法，并根据算法收敛性和收敛速度设计收敛因子和权初值。仿真结果表明，该方法收敛速度快，抗噪声能力强，相同模型误差情况下使转子的动框架位移降低到固定特性前馈时的20％，大幅度提高了动框架前馈补偿精度，有利于进一步提高磁悬浮CMG的力矩输出精度。     

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。     

一种超参数自适应航天器交会变轨策略优化方法

利用强化学习技术,本文提出了一种超参数自适应的燃料最优地球同步轨道（GEO）航天器交会变轨策略优化方法。首先,建立了GEO航天器交会Lambert变轨模型。以变轨时刻为决策变量、燃料消耗为适应度函数,使用改进式综合学习粒子群算法（ICLPSO）作为变轨策略优化的基础方法。其次,考虑到求解的最优性和快速性,重新设计了以粒子群算法（PSO）优化结果为参考基线的奖励函数。使用一族典型GEO航天器交会工况训练深度确定性策略梯度神经网络（DDPG）。将DDPG与ICLPSO组合为强化学习粒子群算法（RLPSO）,从而实现算法超参数根据实时迭代收敛情况的自适应动态调整。最后,仿真结果表明与PSO、综合学习粒子群算法（CLPSO）相比,RLPSO在较少迭代后即可给出适应度较高的规划结果,减轻了迭代过程中的计算资源消耗。     

含引力辅助的小推力多任务探测轨道设计

针对深空探测时间长、成本高的特点,文中以多任务深空探测为背景,建立了包含多模型、多约束、多变量、多阶段的探测轨道设计模型。通过融合推力工作模式、分段设计目标函数等策略,克服了模型的内点约束限制,降低了优化模型的复杂度。为了提高优化速度、提升优化精度,结合梯度搜索和粒子群算法的特点,研究提出了一种梯度混合粒子群(GHPSO)算法。将该算法应用到多任务星探测轨道设计模型上,得到了发动机的工作时序,并横向对比了该文算法与传统粒子群算法(PSO)和遗传算法(GA)的优化性能。仿真结果表明,文中提出的算法搜索速度快,第1设计阶段GHPSO相对GA提高61.96%,相对PSO提高47.85%,第2设计阶段GHPSO相对GA提高61.87%,相对PSO提高43.66%;精度最高,第1设计阶段GHPSO相对GA平均精度提高了2.86%,最高精度提高了1.24%,相对PSO平均精度提高了4.19%,最高精度提高了3.97%,第2设计阶段GHPSO相对GA平均精度提高了3.33%,最高精度提高了1.63%,相对PSO平均精度提高了4.72%,最高精度提高了3.02%,适用于轨道优化设计类的非线性、多约束全局优化问题。     

升力体外形设计的代理模型优化方法

面向飞行器概念设计提出了一种将类型函数/形状函数变换技术与代理模型技术及全局优化算法相结合,实现升力体外形多目标优化的设计策略。类型函数/形状函数变换技术能够通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数衍生出多种设计构型。选用最优拉丁超立方抽样完成实验设计,将径向基函数作为近似方法构建代理模型,并通过序贯采样后验策略改善代理模型拟合优度。在Ma 6,迎角20°设计点处搭建了升力体简化外形的气动分析代理模型。应用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法实现了以升阻比和容积利用率最大化为目标的折衷优化,得到包含一系列改进设计方案的Pareto-解集,其中,各构型目标响应相对实际分析值误差均在6.1%以内,表明该方法既可以通过代理模型大幅提升设计效率,降低应用全局优化算法的计算复杂度,又能够得到满足概念设计精度需要的设计方案,有利于概念设计中定量高效地实现多个设计目标的折衷优化,明确飞行器外形修改方向。
     

采用改进模拟退火算法的高速飞行器随控总体优化方法

选取翼身组合体气动布局的高速飞行器为研究对象,基于已建立的飞行器总体参数与气动非线性/耦合性等随控性指标间的表征数学模型,开展高速飞行器的随控总体优化方法研究,使得飞行器在全弹道上所有特征点处的非线性度/耦合度的最大绝对值达到最小。为改善经典模拟退火算法的全局搜索能力, 提高退火算法的趋优避劣性,引入精英集合策略。算法测试结果表明：改进模拟退火算法比经典模拟退火算法具有更好的收敛稳定性和收敛速度。算例飞行器的随控总体优化结果表明：飞行器在全弹道上的非线性度m α  NL 、耦合度C xy 、C yx 分别改进了90.6%、99%、36.5%,取得了较好的优化效果。     

TBCC飞行器发动机尺寸选型及爬升策略设计

针对临近空间高速飞行器爬升航迹问题，提出了一种涡轮冲压组合发动机尺寸选型的依据和一种固体火箭助推器辅助加速的爬升策略。以本文设计的一型临近空间高速飞行器为原型，基于hp自适应Radau伪谱法开展爬升航迹优化研究，将最优控制问题转化为非线性规划问题，以爬升消耗燃料质量最小为目标，利用序列二次规划算法求解最优航迹。在此基础上，分析了涡轮冲压组合发动机尺寸选型和采用固体火箭助推器加速爬升策略对爬升航迹和巡航航程的影响。结果表明，选取合理的发动机尺寸和助推器辅助爬升策略，均可有效减少飞行器爬升消耗燃料质量，提升巡航航程。     

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺（DGMSCMG）具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。仿真结果表明,干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

一种基于推进剂消耗优化的卫星小推力器布局设计

针对小推力器安装角度对卫星南北位置保持、东西位置保持和姿态控制效率的影响,从而决定推进剂需求量,提出一种推进剂消耗过程耦合建模与求解方法,并建立了小推力器安装角度优化模型。该方法采用定点迭代对转移轨道阶段推进剂消耗量和静止轨道阶段推进剂消耗量与贮箱尺寸之间耦合过程进行解耦,并建立了不同阶段推进剂消耗量估算模型。以卫星寿命期推进剂需求量最少为优化目标,建立了小推力器布局优化模型。通过实际的小推力器布局设计实例,分别采用遗传算法和序列径向基函数代理模型（SRBF）优化策略进行优化。优化结果表明相比于基于经验设计,SRBF可以有效地降低推进剂需求量,而且对比遗传算法,优化效率得到了显著提高。     

使用解析目标分流策略的海洋卫星多学科优化

在海洋卫星总体设计阶段,为了提高卫星整体设计性能和效率,采用多学科设计优化（MDO）技术对其总体参数进行设计优化。考虑轨道、有效载荷、结构和电源四个学科的设计变量和约束条件,以卫星总质量最小为优化目标建立海洋卫星MDO模型;针对各学科优化问题属性设计高效的优化方案并采用解析目标分流（ATC）这一多级MDO策略来协调整个优化过程。优化后海洋卫星总质量相对海洋一号（HY-1）卫星下降17.6%,整个优化过程花费的时间也比采用单级All at once(AAO)策略减少85.7%。一方面表明所建立的海洋卫星MDO模型的合理有效性,另一方面表明ATC策略结合学科定制优化方案的求解技术的有效性。     

考虑高耗时约束的全电推进卫星多学科优化

为提高卫星系统整体性能与优化设计效率，本文采用多学科设计优化（MDO）方法进行全电推进卫星总体参数优化。主要考虑轨道转移、位置保持、空间环境、供配电、结构及质量六个学科，以整星质量最小为优化目标，考虑轨道转移时间等约束条件，建立了全电推进卫星MDO模型。提出一种基于增广拉格朗日乘子法的高效全局优化方法（ALM-EGO）以快速求解卫星MDO问题。标准数值算例对比研究表明，对于处理高耗时约束优化问题，ALM-EGO方法在全局收敛性与优化效率方面具有一定的优势。最后，采用ALM-EGO求解全电推进卫星MDO问题，优化后的全电推进卫星设计方案满足各类工程设计约束，实现整星减重161.09 kg，从而验证了本文所建立模型的合理性和ALM-EGO方法的有效性。     

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。     

一种新型火星定点着陆轨迹快速优化方法

针对火星定点着陆任务大气进入段的轨迹规划问题,给出了一种基于hp Radau伪谱法的快速优化算法。综合考虑大气进入段的动力学约束、边值约束、以及着陆器的机动能力约束和安全性约束,结合hp Radau伪谱法的配点特性,将轨迹优化问题转换成一个大规模多约束参数优化问题,给出了大气进入段轨迹优化问题的求解框架;为了提高算法的计算效率,给出了参数优化过程中雅克比矩阵的解析表达式;并通过数学仿真对本文算法进行了数值验证,结果表明：     

Multiobjective optimization applied to structural sizing of low cost university-class microsatellite projects

In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In this paper, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. Finally, a Genetic Algorithm (GA) multiobjective optimization is applied to the design space. The result is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget, which gives a useful insight to the design team at the early phases of the design.     

支架结构随机振动响应优化研究

文章建立了随机载荷作用下结构多点响应优化的数学模型,应用ANSYS程序的APDL语言实现了结构随机振动响应优化方法的程序化。设计了一个三维支架结构,以其为算例进行了基于几何设计变量的随机振动响应优化设计,取得了满意的结果。     

脉冲发动机复合壳体的强度分析及优化设计

采用ANSYS有限元软件对脉冲发动机复合壳体进行了结构强度分析和优化设计。用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化；给出了复合壳体在临界压力载荷下的失效模式；分别在两种材料层中对最大应力约束下，以减少复合壳体的总质量为目标，对复合壳体的壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化，并对设计变量的敏感度进行了分析。计算结果表明，在工作压力载荷下，安装在轨姿控舱体内的脉冲发动机的强度可以满足设计要求；壁厚尺寸是关键的优化设计变量，优化后脉冲发动机复合壳体的总质量可减轻5．7％。理论分析结果与试验结果相吻合。