[发明专利]一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法

说明书

本发明涉及一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法，属于固体火箭发动机应用领域部分，综合考虑固体火箭发动机性能与成本的耦合关系，建立固体火箭发动机重点学科分析模型与多学科设计优化问题模型；采用基于Kriging的多目标自适应优化策略，以固体火箭发动机总冲最大以及成本最小为目标函数，对预选的设计变量进行优化。在优化过程中，利用KRG代理模型代替原分析模型，并采用NSGA‑II求解得到当前KRG代理模型的伪Pareto解集，在此该解集内基于拥挤度排序采样对KRG代理模型进行更新与管理，从而引导优化快速收敛至真实Pareto前沿，充分探索固体火箭发动机性能与成本的内在挖掘潜力，进而降低发动机研制成本、提高设计性能。

技术领域

本发明涉及一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法，属于固体火箭发动机应用领域。

背景技术

固体火箭发动机因其结构简单、推进剂可长期储存、可靠性强以及操作维护简便等特点，被广泛应用于各类导弹、航天器以及运载火箭中。此外，随着航天运载技术的成熟以及商业需求的激增，降低航天运输成本对提升型号在航天领域的竞争力尤为重要。为降低固体火箭发动机研制成本，国内研究人员在固体火箭发动机性能与成本设计领域开展了一定的技术研究工作(李晓斌,解红雨,青龙,张为华,陈雅琴,孙兵.高压强固体火箭发动机性能/成本优化设计[J].固体火箭技术,2004(01):16-19；杨青,邱菀华,汪亮.固体火箭发动机成本与性能双目标优化设计[J].北京航空航天大学学报,2005(05):574-577.)，然而，上述技术中的固体火箭发动机分析模型仅采用经验公式方法进行建模，并未构建固体火箭发动机的高精度分析模型，导致模型的置信度较低。此外，上述技术通过传统的进化算法进行设计优化，在实际固体火箭发动机总体设计中一旦涉及高耗时分析模型，将导致固体火箭发动机设计优化的计算成本剧增。

为了提升固体火箭发动机总体方案阶段的设计效率，十分有必要发展一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法，提高设计优化效率、缩短设计周期，从而在总体设计阶段能够快速实现固体火箭发动机设计方案的快速优选与修改，为固体火箭发动机系统方案论证与总体设计提供科学的依据与参考。

发明内容

本发明的目的为了解决商业航天领域中大型运输系统低成本经济化需求的问题，提供一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法；该方法在保证固体火箭发动机各分系统设计指标的条件下，尽可能提升发动机总冲的同时降低其研制成本。本发明能够适合应用于不同任务需求的固体火箭发动机性能与成本一体化设计，为实现固体火箭发动机低成本高性能的快速设计、优化与论证提供有力的支撑，并解决固体火箭发动机总体设计领域相关工程技术问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法，综合考虑固体火箭发动机性能与成本的耦合关系，建立固体火箭发动机重点学科分析模型与多学科设计优化问题模型；采用基于Kriging的多目标自适应优化策略，以固体火箭发动机总冲最大以及成本最小为目标函数，对预选的设计变量进行优化。在优化过程中，利用KRG代理模型代替原分析模型，并采用NSGA-II求解得到当前KRG代理模型的伪Pareto解集，在此该解集内基于拥挤度排序采样对KRG代理模型进行更新与管理，从而引导优化快速收敛至真实Pareto前沿，充分探索固体火箭发动机性能与成本的内在挖掘潜力，进而降低发动机研制成本、提高设计性能。

一种考虑性能与成本的固体火箭发动机快速设计方法，包括如下步骤：

步骤一、确定固体火箭发动机多学科设计优化问题初始条件。

步骤一的具体实现方法如下：