卫星姿态控制推力器布局分析

针对卫星姿态控制过程中推力器数目和分布的选取问题,给出了星上常用的4种推力器安装布局,通过相平面控制,给出了各个稚力器的喷气时间,通过对不同布局下系统的控制精度、燃料消耗和可靠性等方面进行分析和比较,给出了推力器布局设计准则.该准则表明系统的可靠性和燃料消耗是推力器布局设计的主要参考依据.     

GEO卫星基于电推进系统的倾角与偏心率联合控制方法

针对配置电推力器的GEO卫星位置保持问题,提出一种对倾角与偏心率进行联合控制的方法,建立了求解控制方程的优化模型,并针对优化模型变量多、约束复杂的问题进行降维处理,得到两种简化的求解方法,降低了求解复杂度与计算量,适合星上自主计算。采用联合控制方法,仅靠电推力器就能够同时实现卫星倾角和偏心率的高精度控制,有效降低卫星位置保持总的推进剂消耗。仿真算例表明,与电推力器只控倾角的传统方法相比,在保证偏心率控制精度不变的前提下,采用电推力器倾角与偏心率联合控制方法,15年寿命期内节省推进剂质量39kg。     

高超声速再入飞行器气动布局多目标优化

气动布局的多目标优化是飞行器设计中的关键技术。提出一种新的高超声速再入飞行器气动外形参数的多目标优化方法,证明外形优化对高超声速流下飞行器性能的影响。通过实例仿真对飞行器所受阻力和升力对制导性能影响进行详细验证分析,将飞行器落点圆概率偏差、末速大于500 m/s的占比、最大飞行过载小于60g的占比这3个性能指标作为优化目标,将升力特性作为中间参数,将气动布局优化问题分解为2个子问题,通过基于搜索算法的升力特性优化和基于改进的模拟退火算法的外形参数优化,减少优化计算时间、提升计算效率、实现对飞行器主体和襟翼的气动布局优化、获得高超声速流下的最佳飞行器外形。仿真结果表明：在确定的约束条件下,优化算法增加了飞行器在超音速流下的气动升力,有效提高了升阻比。在不影响最大飞行过载的前提下,优化后的飞行器表现出更高的气动性能,显著提升了命中精度,同时末速也满足指标要求,制导系统性能得到有效改善。     

30cm氙离子推力器磁场特性分析与优化设计

放电室磁场设计直接影响放电室的放电稳定性及推力器在轨工作寿命,针对多种工作模式下30cm氙离子推力器磁场设计的复杂性问题,对推力器电磁体磁场向永磁体磁场转换中放电室的磁场特性进行了研究,并对永磁体磁场的关键参数进行优化设计。建立30cm氙离子推力器放电室磁场转换的磁路模型,运用有限元分析理论,利用实际工程数据验证磁路模型计算结果的正确性与方法的可行性。在此基础上,分析获得给定磁路构型下产生要求磁感应强度的永磁体关键尺寸。以放电室工作阳极震荡电压、减速栅极电流、加速栅极电流和磁路系统质量为目标,采用多目标粒子群优化算法,对永磁体的关键参数进行优化,得到30cm氙离子推力器设计性能目标下的磁路构型最优结果。本研究可为高效、稳定工作的离子推力器磁路设计及优化提供方法。     

进化策略在无比例工程图布局优化中的应用

自动生成的无比例工程图存在布局不合理、可读性差的问题,以管线安装图为例分析了工程图中布局的约束条件,将布局问题简化为管段长度的调整,基于目标分解建立了多目标优化的数学模型.应用进化策略求解非线性规划的数学模型,讨论了进化策略中问题的表达、重组、突变、选择算子以及终止条件.计算结果表明,此法可以很好地满足工程中对图纸可读性和出图效率的要求,并可推广到一般的具有拓扑连接关系的布局优化问题中去.      

航空发动机转子结构布局优化设计方法

结构是航空发动机功能、性能及可靠性设计水平的综合体现,一切技术要求、性能指标、强度指标或者结构的安全性和可靠性都应建立在合理的结构布局设计上。提出了航空发动机转子结构布局并对其进行优化设计的观点,同时以典型高推重比涡扇发动机高压转子的结构构型为例,基于试验设计（DOE）的响应面法,应用有限元计算并通过多目标遗传优化算法,分别从抗变形能力、力学环境适应能力以及转子结构效率综合进行相关优化计算,论证了合理的结构布局形式可以大幅度提升转子的力学特性。研究方法对于航空发动机转子系统的初始结构布局设计具有指导意义,可以显著减少结构设计的迭代次数,缩短设计周期。      

一种控制系统故障处理中的互斥设计方法

航天器控制系统中多种故障处理均进行推力器切换操作，而推力器切换操作需要多个控制周期来完成，一旦开始执行应不被打断，否则会导致推力器切换错误.针对在短期内先后触发两种及以上故障时可能导致推力器切换时序冲突和推力器切换错误的情况进行了充分分析.提出了一种软件互斥设计方法，解决多种故障短期内交叉耦合触发引起的推力器切换错误问题.测试结果表明，该方法能使单故障和多故障触发的推力器切换操作正确有效.     

周边桁架式展开天线几何布局优化

讨论了某新型周边桁架式展开天线拉索系统的布局优化设计问题,将天线拉索系统的上、下悬索数量，以及中间调节索数量作为设计变量，在优化过程中主要考虑结构拉索系统原理精度约束，建立以结构重量最轻为优化目标，基于天线几何精度的展开天线布局优化数学模型．通过数值算例证明，拉索系统的布局优化设计对提高天线设计质量是非常有效的．     

民机客舱布局工效学量化设计模型

为提升客舱布局设计效率及面向民机客舱快速仿真设计系统提供技术支撑，提出了一种民机客舱布局量化设计模型。该模型面向工效学设计需求，以座椅排距、座椅排数、各级客舱舱段长度等作为设计变量，构造了舒适性、安全性、经济性三类目标函数，实现了客舱边界限制、人机空间耦合关系、适航安全性要求等约束条件的量化描述。分别以双通道宽体干线客机、单通道窄体干线客机和支线客机为应用算例，对所提模型的可用性进行了计算验证。结果表明:所提模型可适用于多种机型的客舱布局设计，能够提供多个满足舒适性、安全性、经济性等多样化工效学设计指标的量化设计方案，并可给出各类指标进一步的优化途径。所提模型在一定程度上实现了民机客舱布局量化设计，为概念设计阶段客舱布局快速设计和多方案比较提供了一种新的方法，同时也可作为航空公司客舱布局选型的定量化辅助决策工具。      

同心嵌套式霍尔推力器参数设计方法研究

结合未来国内外对大功率场霍尔推力器的需求,论述同心嵌套通道式霍尔推力器研究现状,技术优势。针对嵌套通道式霍尔推力器参数设计方法的空白,介绍了一种可行的嵌套通道式霍尔推力器的结构和磁路;提出了一种以阳极功率和比冲为输入,确定嵌套通道式霍尔推力器通道数目、各通道结构参数和工作参数的方法;结合磁路设计和热设计,给出了优化嵌套通道式霍尔推力器的参数的路径;填补嵌套通道式霍尔推力器参数设计和优化的空白,为其工程应用提供参考。     

航天器推力器布设对燃料消耗的影响

对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子(GDOP) 的定义,首次提出了推力器构型燃料消耗因子（FCF）的概念,并将此概念用于定义推力器相对几何关系引起的期望控制量与燃料消耗间的比例关系。通过矩阵理论分析得到了燃料消耗因子随推力器数目增加而减少的结论,并通过仿真计算对结论进行了验证。     

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

应用于工程设计的多目标优化方法比较

归纳并分析了几种常用的多目标优化方法,在悬臂梁的双目标极小化问题和火箭发动机系统的双目标极大化问题中,用线性加权法、逐步宽容约束法、NCGA(Neighborhood Cultivation Genetic Algorithm)法求解优化问题的非劣解集;用p模理想点法、最短距离法、极大模理想点法、目标规划法求解优化问题的非劣解.并且在悬臂梁的优化问题中,对不同的定值点用目标点法求解优化问题的非劣解,结果说明不同的定值点对应不同的优化结果.最后分别采用二元相对比较法和模糊关联度法求出以上问题的最佳非劣解.通过2个实例说明了这些方法的特点,证明了这些方法的实用性,适用于一般的多目标优化问题.      

Optimization of fault-tolerant thruster configurations for satellite control

The fault tolerance of spacecraft actuators significantly affects the reliability of satellites and the likelihood of successful missions. To enhance the fault tolerance of the actuators, this study derives optimal fault-tolerant configurations of fixed thrusters that maximize the controllability of a fully-actuated or underactuated satellite. The proposed method optimizes thrust and torque directions generated by the thrusters. Thus a cost function in terms of the thruster locations and directions is defined as the summation of the generated control forces and torques with respect to the body-fixed frame. The optimal configuration is obtained by the successive use of an energy potential method that is motivated by Thomson’s problem. Some numerical examples are provided that show the effectiveness of the proposed formulation and optimization method.     

基于多目标优化与强化学习的空战机动决策

为了解决无人机自主空战中的机动决策问题,提出了一种将优化思想与机器学习相结合的机动决策模型。采用多目标优化方法作为决策模型核心,既解决了传统优化方法需要为多个优化目标设置权重的困难,又提高了决策模型的可拓展性;同时在多目标优化的基础上通过强化学习方法训练评价网络进行辅助决策,解决了决策模型在对抗时博弈性不足的缺点。为了测试决策模型的性能,以近距空战为背景,设计了3组仿真实验分别验证多目标优化方法的可行性、辅助决策网络的有效性以及决策模型的总体性能,仿真结果表明,决策模型可以对有机动的敌机进行有效的实时机动对抗。      

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

地球静止卫星电推进轨道保持策略优化

针对电推力器控制弧段长、传统轨道保持计算常用的脉冲假设不能适用的问题,提出了静止卫星轨道保持的平运动动力学模型和长期控制策略优化方法。由于轨道保持控制的是平均轨道要素,文章提出了一种基于春分点轨道要素的高精度平根外推动力学模型,与STK-HPOP模型比对高度吻合;提出了综合考虑轨道东西和南北控制的耦合控制优化模型,设计了基于序列二次规划的优化求解方法。仿真算例中研究了二推力器配置的静止卫星4周轨道保持问题,仿真结果表明,该方法可以优化长期轨道保持控制策略。     

基于动态指标的飞机方案多目标优化方法

为提高飞机方案多目标优化过程中最优解的搜索效率,对多目标方案的比较评价方法及其在优化中的应用进行了研究.提出了可用于多目标方案对比评价的基准指标,并建立了利用新生成方案的目标值对基准指标进行动态更新的动态指标.通过采用动态指标构造适应度函数改进了多目标遗传算法,进行的双目标优化算例表明,改进的算法能够获得更优的Pareto前沿.采用改进的多目标优化方法对一种轻型战斗机概念方案进行了优化设计,设置了重量、气动、隐身等4个优化目标,优化结果验证了基于动态指标改进的多目标遗传算法在飞机概念方案设计优化中的有效性.