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飞行器总体优化设计理论与应用研究

陈小前  
【摘要】: 随着飞行器系统的日趋复杂和人们对于飞行器设计过程认识的深化,飞行器的总体 设计技术得到了越来越多的重视。本文以优化理论为工具,以提高飞行器设计水平为目 的,结合战略弹道导弹、拦截弹、空中发射火箭、可重复使用运载器、气动力辅助变轨 飞行器、空间作战飞行器等多种研究对象,对飞行器总体优化设计理论进行了系统研究, 得到了许多有意义的结果: 结合飞行器设计的实际要求,对静态优化理论进行了系统研究,给出了飞行器设计 中选择优化算法的一般原则,改进了现有算法并提出了部分新的算法,形成了优化算法 库OPTLIB。 研究了飞行器设计中的典型动态优化问题——轨迹优化问题及算法,针对飞行器设 计中的静态参数和动态参数互相耦合的问题,引入辅助变量将静态参数和动态参数统一 处理,在此基础上用变分法推导了极大值原理的增广形式,证明了单独的静态或动态最 优并不等于总体最优。 针对飞行器优化设计中的三种初始值问题进行了研究,以远程弹道导弹弹道的工程 优化为例说明,对于静态优化问题,采用正交试验法选取初始值,不仅可以大大加快收 敛的速度,而且更有可能收敛到全局最优解;以气动力辅助变轨问题为例说明,用共态 变量的一阶泰勒级数展开可以解决极大值原理中共态变量初值难于确定的问题;以二级 弹道导弹的主动段弹道优化为例说明,利用问接法在理想情况下得到的解析解来指导直 接法初始控制曲线的选择,将大大有利于提高直接法的收敛速度。 用神经网络技术对固体燃料冲压动机的燃速辨识问题进行了研究。为了提高收敛速 度,采用信赖域方法对标准的BP算法进行了改进。对于BP算法应用中的前后处理过 程进行了探讨。给出了用神经网络进行辨识的一般过程。通过神经网络的辨识结果与最 小二乘法辨识结果的比较,证明了这种方法的优越性。 对固体战略导弹总体/发动机一体化设计进行了研究。以起飞质量最小为目标函数建 立了优化模型,并编制了大型总体/发动机一体化设计软件IDAMS,可对总体参数、弹 道参数和发动机参数同时优化。用某一型号导弹进行了验证了模型和软件,并对结果进 行了参数分析,证明这种方法可以大大改良导弹的总体性能。 对拦截弹总体参数优化设计进行了研究。建立了优化模型,编制了相应软件,同时 优化了拦截弹的总体参数、弹道参数、气动外形参数和发动机参数,改良了导弹的总体 性能,并对原基本型方案进行了评估。 对空中发射技术进行了概念研究,结合我国的技术基础,提出了空中发射的三级固 体火箭总体方案,并对空中发射技术的关键技术及应用前景等进行了简单的分析。 对多学科设计优化的研究进行了综述,介绍了其发展概况、特点、研究方法和研究 内容。针对飞行器设计的特点,简单介绍了将该方法应用于飞行器设计中的方法和步骤。 研究了目前在国外飞行器设计得到广泛应用的一种多学科设计优化方法——响应 面方法,在对现有各种响应面方法进行比较的基础上,提出了一种基于正交多项式的响 应面方法。用该方法对两种采取不同动力方案的单级入轨可重复使用运载器的方案进行 了比较,得到了有意义的结果,并证明了该方法的有效性。 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 一 所有这些结果都可以被进一步拓展并充分发挥其在飞行器设计中的指导作用。


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