基于近似模型的亚轨道飞行器多学科设计优化研究

摘要

亚轨道飞行器由于不需要具备进入地球轨道的能力，相对于轨道飞行器具有体积小、能耗小、维护成本小、发射方式灵活、可重复使用等特点，成为当今世界正在广泛研究的一类新型飞行器。多学科设计优化方法应用于航空航天等复杂设计领域，能够明显缩短产品的设计周期，提高设计质量。近似模型技术作为多学科设计优化的关键技术之一，能够解决模型复杂、非线性的难题。建立学科近似模型代替原有复杂模型，既能够保证模型的精度，又能加快优化的效率，降低设计的成本。论文针对重复使用亚轨道飞行器的气动学科开展近似模型理论和气动学科近似建模研究，并应用于亚轨道飞行器多学科设计优化中。
　　首先，对常用的近似建模方法和试验设计等理论进行研究，分析了拟合型近似建模方法和插值型近似建模方法的优缺点和适用范围。
　　其次，对亚轨道飞行器的基准外形进行C AD参数化处理和数值仿真计算分析，基于对气动学科建模仿真自动化集成方法的研究，对亚轨道飞行器气动学科进行了近似建模分析。
　　然后，提出基于期望增长函数（EI函数）方法对径向基插值近似模型进行了改进，显著提高了亚轨道飞行器气动学科近似建模的收敛速度和预报精度。
　　最后，通过对亚轨道飞行器返回段多学科设计优化任务的分析，应用改进的径向基插值模型，对几何外形、气动、结构、弹道学科进行集成，运用协同优化过程对亚轨道飞行器基准外形进行了迭代优化。优化结果显示在满足各种约束的前提下，亚轨道飞行器气动性能得到提高，同时质量得到减小。
　　论文对亚轨道飞行器近似建模理论、气动建模和仿真自动化集成方法、优化过程和多学科设计优化集成技术进行了细致的研究。提出了基于EI方法的径向基插值近似模型方法，并建立了亚轨道飞行器多学科设计优化的总体方案和基本流程，对亚轨道飞行器总体设计具有一定的参考价值。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 论文研究的主要工作

1.3 论文结构

第二章 近似模型技术研究

2.1 常用的近似建模方法

2.2 试验设计理论

2.3 近似模型误差评判方法

2.4 近似能力的评价方法

2.5 函数测试分析

2.6 本章小结

第三章 亚轨道飞行器气动学科近似建模

3.1 亚轨道飞行器几何模型参数化

3.2 亚轨道飞行器气动性能数值仿真

3.3 气动建模仿真自动化的集成方法

3.4 亚轨道飞行器气动学科近似模型

3.5 气动学科近似模型中样本数的影响分析

3.6 本章小结

第四章 基于期望增长函数的径向基插值建模方法

4.1 期望增长函数试验设计方法

4.2 基于EI方法的径向基插值建模方法

4.3 函数测试分析

4.4 气动建模验证

4.5 本章小结

第五章 基于近似模型的亚轨道飞行器多学科设计优化

5.1 优化问题的设定

5.2 学科模型的建立

5.3 优化过程与优化框架的集成

5.4 优化结果的分析

5.5 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果