[發明專利]衛星隔熱層與散熱面的系統的聯合優化設計參數確定方法

無效

• 申請號: 200910081622.0
• 申請日: 2009-04-07
• 公開（公告）號: CN101515311A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發明（設計）人: 李運澤;王玉瑩;劉佳;劉東曉;李運華;王浚
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所
• 代理人: 李 強;吳云華

技術領域

本發明涉及一種基于混沌遺傳算法(Chaos?Genetic?Algorithm，以下簡稱CGA)的納衛星隔熱層厚度與散熱面面積聯合優化設計方法，屬于航天科學技術領域。

背景技術

(1)納衛星的產生與應用

納衛星最早由美國航空航天公司(Aerospace)于1993年在一份研究報告中首次提出，它是以近年來發展起來的微型機電一體化系統(MEMS，簡稱微機械)技術和由數個MEMS組成的專用集成微型儀器(ASIM)為基礎的一種全新概念的衛星。納衛星集聚了微電子機械、輕型復合材料和超精細機械加工等新技術、新材料、新工藝，其質量在1～10kg之間，而功能密度極大提高。

納衛星既能實現單顆廉價小衛星快速完成單項任務，又能以眾多的低成本高性能小衛星組成星座，完成復雜的航天任務。納衛星在全球個人通信、移動通信、地球環境監測、科學研究、技術演示、行星探測、教育及軍事等方面有著廣闊的應用前景。納衛星的發展，醞釀著航天領域的一場重大變革，納衛星將在未來的航天系統中占據重要的地位。納衛星的主要特點有：衛星的一體化設計和集成度高、質量輕；生存能力強、制造與發射費用便宜。是當前國際航天技術發展的重要方向之一，體現了航天器微小化的發展趨勢。

(2)傳統的航天器熱設計方法

隨著衛星不斷小型化，對于其自身的熱管理能力也提出了越來越高的要求。航天器溫度控制可以采用被動熱控制技術和主動熱控制技術，一般以被動熱控方法為主主動熱控方法為輔。被動熱控方法根據航天器的結構特點及其與周圍環境或其它構件的熱量傳輸方式來確定相應的熱控硬件，以此來合理安排星體表面與空間環境之間及星體內部儀器部件之間的熱傳遞，使航天器的各部件溫度都在安全工作的溫度范圍內。被動熱控方法具有技術簡單，可靠性好，使用壽命長的優點，是航天器熱控的重要手段。常見的航天器被動熱控組件有：熱控涂層、多層隔熱組件、熱管、相變換熱裝置。納衛星熱控設計的目的是通過合理的熱設計方法和熱控制手段，提供衛星有效載荷和衛星平臺各分系統儀器設備正常工作所需的環境溫度，同時保證納衛星所有設備正常工作。

熱控設計師所進行的航天器熱設計主要通過以下步驟來實現(如圖1所示)：(1)對航天器進行熱分析，根據航天器在太空的熱量收支平衡關系建立其熱數學模型；(2)計算到達航天器表面的空間熱流，分析并設計散熱面；(3)根據經驗對各個部件和航天器結構采用熱控措施，然后判斷可能出現的最冷與最熱工況；(4)在確定邊界條件后進行熱分析計算，判斷各部分的溫度是否在允許的范圍內，如有不合適的部分則要調整該部分相應的熱控措施，再進行熱分析計算，直至所有的部分的溫度都在合適的范圍內。這種設計方法需要反復的計算與驗證，對于系統級的整體設計所花費的計算量較大，所得到的最終設計結果也并不一定是最優結果；熱設計時首先滿足的是部件的熱設計需求，不能保證整體效果最優。為了達到整體最優效果，有必要對航天器的熱控系統部件進行聯合優化設計。

(3)常見的優化設計方法

求優化問題最優解或近似最優解的方法主要有：枚舉法、啟發式算法和搜索算法。這三種方法各有自己的優缺點：枚舉法可以枚舉出可行解集合內的所有可行解，求出精確最優解，但是其效率較低，非常耗時；啟發式算法通過尋求一種產生可行解的啟發式規則來尋找最優解，雖然效率較高，但啟發式規則不具有通用性；搜索算法通過在可行解集合的子集內進行搜索操作來尋找問題的最優解或近似最優解，它可以在近似解的質量和求解效率上達到較好的平衡。

遺傳算法(Genetic?Algorithm，簡記為GA)是由J.Holland教授提出的一種具有全局優化能力的隨機搜索算法。GA算法魯棒性強，是一種適應性強的全局最優搜索算法。在綜合考慮多項評價指標問題的研究中，可以找到優化問題的Pareto解。但是基本遺傳算法也有不可避免的缺點：如早熟現象，容易陷入局部最優，找到最優解需要進行大量的迭代計算。為了克服遺傳算法的缺點而發揮其優點，一些研究人員將混沌思想引入了遺傳算法，形成了混沌遺傳算法(CGA)。混沌按Elizabeth?Bradley定義為：它是一個確定物理系統的一種復雜的不可預知的，而且看似隨機的行為。根據混沌運動的特性，混沌運動可以遍歷搜索空間所有的狀態，并且每一個狀態僅出現一次。CGA根據混沌運動的規律進行搜索，可以遍歷解空間中的任一點，因此與其它隨機優化算法相比，它可以很容易地跳出局部最優，避免早熟現象。

發明內容

本發明運用混沌遺傳算法(CGA)對納衛星的散熱面面積和隔熱層厚度進行聯合優化設計，以達到納衛星更好的正常工作的溫度要求。