● 摘要
平流层浮空器是一种利用空气浮力来实现浮重平衡、以太阳能辐射为能量来源、能在平流层长时间驻空飞行的飞行器。平流层浮空器具有低成本、可重复利用、适宜的对地观测条件等特点，在通信、监控、侦查等领域具有广阔的军用和民用前景。作为航空科学技术、新能源技术和高性能材料技术相结合的新概念飞行器，设计过程需对多个学科进行综合考虑和优化，采用多学科设计优化方法 (MDO) 是提高平流层浮空器总体设计水平的有效途径。本文以平流层浮空器为对象，详细研究了基于近似模型的协同优化方法，提出了自适应信赖域协同优化方法，并成功应用到平流层浮空器的总体设计中，取得了一系列的研究成果。主要贡献包括：
1. 研究了协同优化方法的数学描述和框架结构，分析了该方法的收敛性问题，在近似模型协同优化方法的基础上，引入了广义乘子方法和信赖域方法，提出了基于信赖域的近似模型协同优化方法 (CO-TRS 方法)。该方法把系统级优化与子系统级优化的嵌套关系变成层次关系，有利于学科的并行分布式计算，同时该方法在优化过程中不依赖于梯度信息。结合算例结果表明，与标准协同优化方法相比，CO-TRS 方法的收敛特性是一致的，但子系统分析次数有一定的增加。
2. 研究了 Kriging 近似模型的相关性参数和基础函数对近似模型精度的影响，证明了在相关性参数不变的条件下，增加新的基础函数到基础函数向量时，Kriging 过程方差会减小，由此推断出过程方差作为目标函数并不能获得最优的基础函数组合。在此基础上，提出了改进的 Kriging 近似方法 (DKG-XV 方法)，引入交叉验证均方差误差和交叉验证误差相关系数作为目标函数，使用遗传算法获得最优基础函数组合，构建最优 Kriging 近似模型。结合数值算例表明，综合近似模型的 RMSE 值、误差相关系数和计算时间，DKG-XV 方法比原始动态 Kriging 方法 (DKG 方法) 存在优势。
3. 研究了 Kriging 近似模型常用的序贯取样准则并分析了各种方法的特点。在CO-TRS 方法的基础上，结合 Kriging 混合更新准则，提出了自适应信赖域近似模型协同优化方法 (CO-ATRS 方法)。在 CO-ATRS 方法中，在信赖域更新前使用混合更新准则获得更新点来提高近似模型的精度，有效提高了该方法的全局收敛性能。结合算例表明，无论在收敛特性还是在子系统的分析次数上，CO-ATRS 方法均比 CO-TRS 方法存在优势。
4. 完成了平流层浮空器各子系统的系统分析，分析了各子系统之间的耦合关系和输入输出关系。在基本任务需求和现有技术水平的基础上，在平流层浮空器重量平衡和能量平衡的约束下，以浮空器的形状尺寸参数为设计变量，建立了以总重最小为设计目标的优化设计模型，获得了平流层浮空器的基线设计。同时，对任务参数、环境参数和技术参数进行了灵敏度分析，结果表明艇体材料技术、储能锂电池技术以及推进子系统效率是浮空器发展的关键技术领域。
5. 建立了平流层浮空器基于近似模型协同优化方法的优化框架，对各子系统优化问题和系统级优化问题进行了详细的描述，并使用本文提出的 CO-ATRS 方法对平流层浮空器进行了总体设计。结果表明 CO-ATRS 方法能有效应用于平流层浮空器的总体设计中，并取得比基线设计更好的总体设计方案。
论文研究以提高协同优化方法在飞行器设计中的应用效果为目的，提出了自适应信赖域近似模型协同优化方法并成功应用于平流层浮空器的总体设计中。本文的研究成果对其他类型飞行器设计具有一定的参考价值。