[發明專利]一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法

有效

• 申請號: 202110455315.5
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113153571B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 龍騰;葉年輝;史人赫;陶康輝;劉震宇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F02K9/08
• 分類號: F02K9/08;F02K9/96;G06F30/20
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明涉及一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法，屬于固體火箭發動機應用領域部分，綜合考慮固體火箭發動機性能與成本的耦合關系，建立固體火箭發動機重點學科分析模型與多學科設計優化問題模型；采用基于Kriging的多目標自適應優化策略，以固體火箭發動機總沖最大以及成本最小為目標函數，對預選的設計變量進行優化。在優化過程中，利用KRG代理模型代替原分析模型，并采用NSGA?II求解得到當前KRG代理模型的偽Pareto解集，在此該解集內基于擁擠度排序采樣對KRG代理模型進行更新與管理，從而引導優化快速收斂至真實Pareto前沿，充分探索固體火箭發動機性能與成本的內在挖掘潛力，進而降低發動機研制成本、提高設計性能。

技術領域

本發明涉及一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法，屬于固體火箭發動機應用領域。

背景技術

固體火箭發動機因其結構簡單、推進劑可長期儲存、可靠性強以及操作維護簡便等特點，被廣泛應用于各類導彈、航天器以及運載火箭中。此外，隨著航天運載技術的成熟以及商業需求的激增，降低航天運輸成本對提升型號在航天領域的競爭力尤為重要。為降低固體火箭發動機研制成本，國內研究人員在固體火箭發動機性能與成本設計領域開展了一定的技術研究工作(李曉斌,解紅雨,青龍,張為華,陳雅琴,孫兵.高壓強固體火箭發動機性能/成本優化設計[J].固體火箭技術,2004(01):16-19；楊青,邱菀華,汪亮.固體火箭發動機成本與性能雙目標優化設計[J].北京航空航天大學學報,2005(05):574-577.)，然而，上述技術中的固體火箭發動機分析模型僅采用經驗公式方法進行建模，并未構建固體火箭發動機的高精度分析模型，導致模型的置信度較低。此外，上述技術通過傳統的進化算法進行設計優化，在實際固體火箭發動機總體設計中一旦涉及高耗時分析模型，將導致固體火箭發動機設計優化的計算成本劇增。

為了提升固體火箭發動機總體方案階段的設計效率，十分有必要發展一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法，提高設計優化效率、縮短設計周期，從而在總體設計階段能夠快速實現固體火箭發動機設計方案的快速優選與修改，為固體火箭發動機系統方案論證與總體設計提供科學的依據與參考。

發明內容

本發明的目的為了解決商業航天領域中大型運輸系統低成本經濟化需求的問題，提供一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法；該方法在保證固體火箭發動機各分系統設計指標的條件下，盡可能提升發動機總沖的同時降低其研制成本。本發明能夠適合應用于不同任務需求的固體火箭發動機性能與成本一體化設計，為實現固體火箭發動機低成本高性能的快速設計、優化與論證提供有力的支撐，并解決固體火箭發動機總體設計領域相關工程技術問題。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法，綜合考慮固體火箭發動機性能與成本的耦合關系，建立固體火箭發動機重點學科分析模型與多學科設計優化問題模型；采用基于Kriging的多目標自適應優化策略，以固體火箭發動機總沖最大以及成本最小為目標函數，對預選的設計變量進行優化。在優化過程中，利用KRG代理模型代替原分析模型，并采用NSGA-II求解得到當前KRG代理模型的偽Pareto解集，在此該解集內基于擁擠度排序采樣對KRG代理模型進行更新與管理，從而引導優化快速收斂至真實Pareto前沿，充分探索固體火箭發動機性能與成本的內在挖掘潛力，進而降低發動機研制成本、提高設計性能。

一種考慮性能與成本的固體火箭發動機快速設計方法，包括如下步驟：

步驟一、確定固體火箭發動機多學科設計優化問題初始條件。

步驟一的具體實現方法如下：