再入航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方法研究.pdf

1、再入航天器是將航天員和空間物品從太空載回地面的航天器，在完成返回任務(wù)過程中航天器高速再入大氣層，并與空氣摩擦產(chǎn)生巨大的熱量，因此再入航天器的再入環(huán)境極為惡劣，對航天器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較高要求。本文針對航天器結(jié)構(gòu)特點，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計反問題的變參數(shù)設(shè)計方法，以國內(nèi)外廣泛使用的類“聯(lián)盟”號航天器結(jié)構(gòu)為研究對象，分析再入過程中的氣動力、氣動熱以及關(guān)鍵幾何參數(shù)對航天器氣動布局影響規(guī)律，建立再入航天器多目標(biāo)優(yōu)化的模型，設(shè)計基于帶精英策略的非支配排序的

2、多目標(biāo)遺傳算法，對再入航天器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，并利用有限元方法檢驗優(yōu)化結(jié)果的正確性，從而驗證多目標(biāo)遺傳算法在處理該問題中的高效性，為航天器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。本文的主要工作有以下三方面：
　　首先，針對類“聯(lián)盟”號再入航天器的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)再入飛行大氣環(huán)境參數(shù)，建立再入氣動特性的理論模型?；诿嬖ㄓ嬎阍偃牒教炱鞯目諝鈩恿ο禂?shù)以及升阻比；利用Kemp和Riddell駐點熱流公式推導(dǎo)肩部和倒錐迎風(fēng)面上的熱流的變化規(guī)律；通過與縱向平面

3、內(nèi)再入軌跡方程相聯(lián)立，驗證再入危險點的位置以及各幾何參數(shù)對再入航天器氣動特性的耦合影響。
　　其次，針對單目標(biāo)優(yōu)化算法難以解決相互耦合的多目標(biāo)氣動布局優(yōu)化，以及固定權(quán)重的遺傳算法不能全面利用遺傳算法的搜索能力等缺點，本文分析了基于加權(quán)目標(biāo)法、非支配排序遺傳算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms, NSGA)及其改進算法(improved Non-dominated Sorting G

4、enetic Algorithms, NSGA-II)三種多目標(biāo)優(yōu)化方法的原理，并以實例表明基于NSGA-II算法的多目標(biāo)優(yōu)化在處理多目標(biāo)優(yōu)化問題上的高效性等優(yōu)點。本文以這種方法分別驗證6種具有不同目標(biāo)的氣動布局的優(yōu)化效果，設(shè)計整體特性最優(yōu)的氣動布局；通過與加權(quán)目標(biāo)法的比較，驗證基于多目標(biāo)遺傳算法的優(yōu)勢。
　　本文最后對再入航天器結(jié)構(gòu)進行有限元分析及優(yōu)化結(jié)果檢驗。針對再入航天器再入過程中產(chǎn)生的流固耦合現(xiàn)象，以及傳統(tǒng)拉格朗日法、歐拉