● 摘要
随着航天发射任务的日益频繁和航天器功能的不断提高，传统设计方法愈来愈显现它的不足，采用多学科设计优化（MDO）技术提高设计水平和设计效率，成为航天器设计的发展趋势。这方面的工作多限于理论算法研究，对于航天器MDO研究的文献少且存在模型过于简化或描述不详细和计算效率低等问题，针对这些问题，论文从航天器多学科设计建模和优化技术两个方面开展工作。在协同优化（CO）及其改进方法的基础上，提出一种高效的非嵌套协同优化（NNCO）方法。该方法继承了CO方法沿学科边界分解的思想，但系统级和学科级优化采用顺序执行的方式并结合特定罚参数策略协调整个优化过程。该方法经Shankar问题、Sellar问题、HeartDipole问题和某观测卫星MDO问题四个典型算例测试，证实其相对CO方法及改进方法可以明显减少学科优化分析次数，提高复杂分析的MDO模型的计算效率；通过算例的进一步分析，得出NNCO方法的罚参数选取规律和适用范围。针对带子飞行器航天器这一特殊任务类型航天器，定义有效接近区作为衡量对目标支援能力的指标；以有效接近区和整星质量的综合指标作为优化目标，考虑轨道、有效载荷、结构和电源学科的设计变量和约束条件，建立高精度的MDO模型，其中结构学科用通用有限元分析工具MSC.Nastran代替简单估算公式进行结构分析。针对海洋卫星，综合考虑轨道、有效载荷、结构和电源学科的设计变量和约束条件，以整星质量最小为优化目标建立相对以往研究更精细的MDO模型，除了将光学系统孔径作为设计变量并考虑地面分辨率约束外，光学系统焦距也作为设计变量同时添加全球覆盖和观测灵敏度约束，结构学科亦使用有限元进行分析。通过带子飞行器航天器和海洋卫星的建模示例，提出了航天器MDO建模途径：优化目标取整星质量最小或航天器性能指标最优或两量度的综合，轨道学科以轨道高度等参数为设计变量，依据航天器任务差异选取轨道学科设计约束和有效载荷学科设计变量、设计约束，结构学科以主承力结构尺寸参数为设计变量，考虑整星一阶频率、纵向频率和扭转频率约束，电源学科以帆板面积和蓄电池容量为设计变量，考虑功率余量和放电深度要求，其他学科暂取定值建立航天器MDO模型。基于iSIGHT9.0软件开发航天器MDO问题求解平台。结合iSIGHT9.0设计集成技术实现各学科分析集成。针对各级优化问题特性，设计合适的寻优方案：系统级、有效载荷和电源学科使用序列二次规划算法，轨道学科使用自适应模拟退火算法，结构学科采用序列二次规划算法结合Nastran敏度分析的优化方案。选取多组初值对两航天器MDO问题分别进行求解，均得到稳定、有效的结果。一方面表明所建立的航天器MDO模型的合理性，另一方面验证了所提出的NNCO方法和所设计的寻优方案在航天器MDO问题求解中的有效性。