题目：高分辨率敏捷对地观测卫星总体参数多学科优化研究

航天器总体设计是一个涉及轨道、控制、电源、结构、热控、测控、数管、有效载荷等多个学科的复杂系统工程，需要多部门设计人员协同工作才能完成。随着我国发射任务的日益频繁和航天器功能的不断提高，数字化模型与综合设计优化技术需求越来越迫切，成为航天器设计的发展趋势。先进的数字化平台与设计优化技术将为设计人员创造更有效的工作环境，发挥创造性、提高设计质量、缩短设计周期和降低成本，从而提高航天器设计水平，实现“快、好、省”。多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization, MDO）是一种设计复杂、耦合系统的方法，它考虑各分系统之间的相互作用，从整个系统的角度设计和优化复杂工程系统。在卫星总体设计阶段应用MDO技术，对于提高总体设计水平具有重要的现实意义。目前，MDO方法的研究已经非常成熟，而在卫星设计中的应用研究尚处于起步阶段，从过去的研究来看，关键问题在于建立适合于MDO的学科分析模型。本文以一个高分辨率敏捷对地观测卫星为对象，进行MDO在卫星设计中的应用研究，主要内容包括建立任务，结构，电源，控制，热控等学科的分析模型，并以非嵌套的协同优化方法（Non-nested Collaborative Optimization, NNCO）为框架建立多学科优化模型并求解。论文首先参考国外现有的高分辨率对地观测卫星对本文研究对象卫星的技术要求、轨道、分系统组成和构型等进行了初步的设计，然后在此基础上对卫星总体和分系统进行详细的分析和优化建模。论文提出了卫星总体设计建模中几项关键而且通用的技术。（1）定义了可简化建模分析过程的轨道日照坐标系，论述了太阳高度角、星食因子、会日点降幅角等轨道条件的矢量分析方法；（2）提出了光线遮挡的分析算法，研究了受到遮挡时，卫星表面外热流的解析分析方法；（3）提出了基于卫星功耗需求和帆板输出变化曲线进行电源系统分析仿真的方法；（4）总结了基于PCL（Patran Command Language）语言的Patran参数化有限元建模经验。论文对卫星执行拼幅推扫任务过程中的姿态机动飞行任务进行了分析，在此基础上提出在此任务条件下，以满足观测仰角限制条件下可扫描的最大面积作为描述卫星总体性能的指标，并确立了卫星总体设计优化的目标、设计变量和约束条件，建立了优化模型。论文将卫星绕地球运行一圈轨道作为分析仿真总时间，并分成光照区扫描工作和地影区待命两个任务段，在此飞行任务下，建立了卫星的每个分系统的学科分析模型。电源分系统通过仿真蓄电池亏损状态求出任务过程中最大和平均的放电深度，分析电源分系统质量与太阳帆板面积和蓄电池容量之间的关系；控制分系统以现有控制力矩陀螺的性能参数通过数据拟合的方法建立了分系统功耗，质量以及最大输出力矩和角动量与转子角动量和框架最大转速之间的关系；结构学科详细介绍了卫星的构型和设备布局，建立了外形尺寸和非结构质量等参数可变的参数化有限元模型；热控学科建立了卫星的热网络模型，并用SINDA/G进行热控分系统的分析。论文将前述建立的分析模型在NNCO方法框架下集成，建立了卫星总体设计的多学科优化模型，在iSIGHT软件中搭建优化平台并求解，并针对NNCO方法在应用过程中对耦合参数的处理方法进行了简化。最后对单学科优化和多学科优化的结果进行了对比分析，结果表明单学科优化的结果虽然比MDO的优化结果更优，单学科之间并不协调，经过MDO优化设计，各个学科协调一致，且目标性能也得到提升。