肖 進(jìn),杜可君,馬蘇宏

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

運(yùn)載火箭多學(xué)科概念設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建技術(shù)研究

肖 進(jìn),杜可君,馬蘇宏

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為了滿足新型運(yùn)載火箭“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)朝著降本增效的方向發(fā)展，需要研究多專業(yè)一體化設(shè)計(jì)方法；通過(guò)梳理概念設(shè)計(jì)時(shí)總體、氣動(dòng)、彈道、姿控各專業(yè)的工程算法，結(jié)合MDO理論與層次式模型管理的軟件架構(gòu)方法，提出了面向運(yùn)載火箭概念設(shè)計(jì)的多學(xué)科集成優(yōu)化軟件構(gòu)建技術(shù)，包括專業(yè)模型、CAD模型、仿真模型、優(yōu)化模型、迭代模型等在內(nèi)的8類軟件模型的定義與有效管理，并形成專業(yè)計(jì)算與分析軟件；此軟件可實(shí)現(xiàn)火箭芯級(jí)、助推器、穩(wěn)定翼面等總體外形的參數(shù)化設(shè)計(jì)，三維圖像的展示與編輯，基于部件組合法的氣動(dòng)工程計(jì)算與性能分析，質(zhì)量特性計(jì)算，動(dòng)力系統(tǒng)選型及彈道計(jì)算與分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能；通過(guò)此軟件構(gòu)建技術(shù)的研究與功能實(shí)現(xiàn)，為運(yùn)載火箭概念設(shè)計(jì)過(guò)程的多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了工具支撐。

運(yùn)載火箭；概念設(shè)計(jì)；軟件

0 引言

隨著國(guó)際航天發(fā)射領(lǐng)域的商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提升，新型號(hào)、新任務(wù)的層出不窮，在縮短研制周期、節(jié)約成本方面提出較高要求，現(xiàn)有設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)工具已經(jīng)無(wú)法滿足新形勢(shì)下的總體設(shè)計(jì)要求。

國(guó)外經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，MDO概念已比較明晰，各種MDO方法和應(yīng)用框架逐步成熟。我國(guó)的MDO研究開(kāi)展較晚，無(wú)論是在MDO的理論方面，還是在MDO應(yīng)用水平方面都與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比有明顯差距[1]。由于國(guó)內(nèi)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到MDO對(duì)提高設(shè)計(jì)水平的重要性，因此近年來(lái)MDO的理論與應(yīng)用研究發(fā)展較快，并陸續(xù)取得一些研究成果。余雄慶等系統(tǒng)分析了MDO算法[2]，并將MDO應(yīng)用于電動(dòng)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)；胡峪等進(jìn)行了飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化算法的研究[3]；黃俊等結(jié)合飛機(jī)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了MDO的探討[4]；陳小前應(yīng)用響應(yīng)面法進(jìn)行了飛行器概念設(shè)計(jì)的MDO設(shè)計(jì)[5]；卜廣志探討了MDO在魚雷總體綜合設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[6]；陳琪鋒進(jìn)行了飛行器分布式協(xié)同進(jìn)化MDO方法的研究[7]；羅世彬?qū)⒍喾NMDO方法應(yīng)用到吸氣式高超聲速飛行器的總體設(shè)計(jì)中，初步解決了這類多學(xué)科強(qiáng)耦合飛行器的設(shè)計(jì)難題[8]。

傳統(tǒng)的型號(hào)研制過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)工具及建模方法有明顯差異，使得結(jié)構(gòu)類專業(yè)(幾何建模、強(qiáng)度分析、載荷與動(dòng)特性計(jì)算等)與總體參數(shù)類專業(yè)(氣動(dòng)、彈道、制導(dǎo)、姿控等)各自分開(kāi)設(shè)計(jì)，這樣往往會(huì)因?yàn)殡p方信息傳遞不暢而產(chǎn)生設(shè)計(jì)結(jié)果互相矛盾，或約束條件難以滿足，需要反復(fù)溝通與協(xié)調(diào)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率不高。針對(duì)此現(xiàn)狀，提出以新一代運(yùn)載火箭總體方案論證為目的，研究參數(shù)化CAD模型快速生成方法、從軟件上打通結(jié)構(gòu)類專業(yè)與總體參數(shù)類專業(yè)之間的接口，實(shí)現(xiàn)從CAD模型中自動(dòng)提取幾何參數(shù)、質(zhì)量特性數(shù)據(jù)及相關(guān)約束條件以驅(qū)動(dòng)后續(xù)專業(yè)的設(shè)計(jì)，從根本上解決此兩類專業(yè)設(shè)計(jì)不同步的問(wèn)題。同時(shí)提取各專業(yè)核心算法，形成多學(xué)科概念設(shè)計(jì)軟件，為能高效、準(zhǔn)確的進(jìn)行新型號(hào)的總體論證與概念設(shè)計(jì)，為探索航天發(fā)射領(lǐng)域總體設(shè)計(jì)新技術(shù)、新方法提供工具支撐。

1 軟件框架設(shè)計(jì)

對(duì)模塊的有效管理取決于良好的管理策略。在軟件框架中，各模塊采用1個(gè)或多個(gè)模型表達(dá)，通過(guò)管理這些零散的模型實(shí)現(xiàn)管理功能。

模型(Model)是采用數(shù)學(xué)形式抽象表達(dá)，具有輸入、輸出接口和一定執(zhí)行功能的實(shí)體。該實(shí)體描述了設(shè)計(jì)過(guò)程中所用到的數(shù)據(jù)、信息和計(jì)算方法。通過(guò)模型的創(chuàng)建、修改、執(zhí)行、交互即可完成設(shè)計(jì)過(guò)程的演化。

由于總體設(shè)計(jì)過(guò)程具有明顯的層次性，在模型的管理上也具有層次性，本軟件采用圖1所示的樹(shù)形模型管理機(jī)制。

圖1 軟件框架的層次式模型管理

根據(jù)層次式模型管理，總體設(shè)計(jì)過(guò)程可以分解為一系列的功能模型。通過(guò)構(gòu)造這些功能模型，建立其間的關(guān)系，并執(zhí)行各種模型的功能，既可完成總體一體化設(shè)計(jì)過(guò)程的建模。根據(jù)軟件功能需要，采用以下幾種模型：

1)專業(yè)模型：對(duì)應(yīng)于專業(yè)模塊。為了既能合理、全面地描述專業(yè)模型的信息，又能適應(yīng)不同的學(xué)科，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2)CAD模型：CAD模型是在基本專業(yè)模型基礎(chǔ)上構(gòu)造，不同點(diǎn)在于其需要管理CAD實(shí)體模型。

3)仿真模型：仿真模型是在基本專業(yè)模型基礎(chǔ)上構(gòu)造，不同點(diǎn)在于其需要管理時(shí)域仿真相關(guān)的信息。

4)優(yōu)化模型：對(duì)應(yīng)于優(yōu)化模塊，其不單獨(dú)執(zhí)行，須依賴于子模型的執(zhí)行。

5)迭代模型：用于平衡耦合學(xué)科(或子模型)的輸入/輸出關(guān)系。

6)試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型：包括兩方面功能：取樣和參數(shù)分析。

7)連接模型：用于建立各模型之間的通信和數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。

8)組合模型：將多個(gè)關(guān)聯(lián)的元模型進(jìn)行綜合，僅暴露外部輸入/輸出接口。

2 軟件功能定義

此軟件的執(zhí)行模式為：在設(shè)計(jì)軟件框架中，可按照給定的流程，快速確定總體方案，并對(duì)初始方案性能進(jìn)行分析；其中，總體概念設(shè)計(jì)包括外形方案設(shè)計(jì)、部位安排方案設(shè)計(jì)、液體火箭方案選擇、彈道設(shè)計(jì)及姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；性能分析功能分為氣動(dòng)特性計(jì)算、質(zhì)量特性計(jì)算、彈道仿真計(jì)算、姿控仿真計(jì)算及性能綜合計(jì)算，如圖2所示。

圖2 多學(xué)科設(shè)計(jì)軟件功能示意圖

2.1 運(yùn)載火箭總體方案快速設(shè)計(jì)功能

總體方案快速設(shè)計(jì)的目的是用于確定多學(xué)科優(yōu)化的基準(zhǔn)方案。為了充分探索設(shè)計(jì)空間，概念設(shè)計(jì)階段需要建立多種備選總體方案。總體方案的多樣性建立在學(xué)科方案多樣性的基礎(chǔ)上。軟件必須支持學(xué)科構(gòu)思備選方案，包括：級(jí)數(shù)、氣動(dòng)布局、發(fā)動(dòng)機(jī)選型、部位安排、飛行程序設(shè)計(jì)等方面。

2.2 運(yùn)載火箭總體多學(xué)科優(yōu)化功能

可利用優(yōu)化算法，并建立氣動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、部位安排、彈道、姿控的內(nèi)在耦合關(guān)系，根據(jù)設(shè)定的設(shè)計(jì)變量范圍、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)，自動(dòng)完成總體多學(xué)科性能參數(shù)優(yōu)化?？傮w設(shè)計(jì)優(yōu)化功能模塊提供優(yōu)化變量選擇與配置、約束條件設(shè)置、優(yōu)化目標(biāo)選擇、優(yōu)化算法選擇與配置、集成優(yōu)化計(jì)算、優(yōu)化結(jié)果分析等功能界面。

2.3 運(yùn)載火箭總體參數(shù)分析功能

利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，快速、批量生成總體設(shè)計(jì)變量輸入，自動(dòng)完成性能參數(shù)的計(jì)算與分析。提供總體設(shè)計(jì)變量選擇與配置、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案選擇與配置、多方案批量計(jì)算，多方案性能參數(shù)比較等功能界面。

3 軟件模型設(shè)計(jì)

根據(jù)層次式模型管理，總體設(shè)計(jì)過(guò)程可以分解為一系列的功能模型。通過(guò)構(gòu)造這些功能模型，并建立其間的關(guān)系，既可完成總體設(shè)計(jì)過(guò)程的建模。

根據(jù)本軟件的功能設(shè)計(jì)，以下對(duì)所需的各種模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 專業(yè)模型

專業(yè)模型對(duì)應(yīng)于專業(yè)模塊。為了既能合理、全面地描述專業(yè)模型的信息，又能適應(yīng)不同的學(xué)科，需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。專業(yè)模型信息由執(zhí)行、輸入、輸出組成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)包括這三部分內(nèi)容。DM的形式化描述為:

DSGModel=

其中，

inputPort，outputPort分別為輸入、輸出端口集合；

inputEvent，outputEvent分別為輸入、輸出事件集合；

executeFedral為執(zhí)行算法。

圖3 專業(yè)模型組成

DSGModel執(zhí)行過(guò)程如下：

1)接收到執(zhí)行任務(wù)時(shí)，更新并輸入端口；

2)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行體運(yùn)行；

3)更新輸出端口；

4)終止運(yùn)行，并向執(zhí)行體傳輸數(shù)據(jù)。

由于不同的專業(yè)模塊的計(jì)算功能實(shí)體差異較大，因而統(tǒng)一的接口函數(shù)設(shè)計(jì)非常重要，主要包括三類接口：

1)設(shè)計(jì)接口，對(duì)應(yīng)于模塊的設(shè)計(jì)功能，用于確定設(shè)計(jì)方案特征(輸入輸出接口)；

2)分析接口，對(duì)應(yīng)于模塊的分析功能，用于對(duì)給定的設(shè)計(jì)方案特征，計(jì)算其性能；

3)繪圖接口，對(duì)給定的設(shè)計(jì)方案特征，完成圖形繪制功能。

3.2 CAD模型

CAD模型是在基本專業(yè)模型基礎(chǔ)上構(gòu)造，不同點(diǎn)在于其需要管理CAD實(shí)體模型。因此，需要額外添加一個(gè)實(shí)體模型參數(shù)body，其形式化描述為：

CADModel=

3.3 仿真模型

仿真模型是在基本專業(yè)模型基礎(chǔ)上構(gòu)造，不同點(diǎn)在于其需要管理仿真相關(guān)的信息，其形式化描述為：

SIMModel=

其中，Y為仿真模型的輸出參數(shù)；

X為仿真模型的狀態(tài)參數(shù)；

U為仿真模型的輸入?yún)?shù)；

F為仿真模型的右函數(shù)參數(shù)；

SimScheme為仿真策略，內(nèi)容包括：仿真算法，仿真步長(zhǎng)，仿真起始時(shí)間和終止時(shí)間。

3.4 優(yōu)化模型

優(yōu)化模型(OPTModel)對(duì)應(yīng)于優(yōu)化模塊。不同于DSGModel、CADModel、SIMModel，OPTModel不能單獨(dú)執(zhí)行，須依賴于子模型的執(zhí)行，如圖4所示。其中子模型可能是DSGModel、OPTModel或其它模型。

圖4 優(yōu)化模型

一方面，OPTModel需要調(diào)度子模型完成優(yōu)化；另一方面可能作為其他模型的子模型，此時(shí)OPTModel表現(xiàn)出與DSGModel相同的接口。為此，采用以下統(tǒng)一的形式描述:

OPTModel=

其中，OM_Outer與DM的描述一致，其輸入端口包括：算法參數(shù)、設(shè)計(jì)變量初始值、子模型輸入端口集合中不作為設(shè)計(jì)變量，且不被其他模型端口所控制的端口值；輸出端口包括：最優(yōu)設(shè)計(jì)變量、最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)、最優(yōu)約束條件，表示優(yōu)化完成的結(jié)果。

Algorithm為OPTModel與執(zhí)行算法的語(yǔ)義接口，通過(guò)該接口連接OPTModel與算法軟件的參數(shù)和功能。

OM_Inner=描述了優(yōu)化模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中，Md 是模型集合，包括受控于OM的子模型集合以及OPTModel本身；Couplings=描述了子模型之間，以及子模型與優(yōu)化模型之間的耦合關(guān)系； inputPort包括約束條件和目標(biāo)函數(shù)，由子模型解算得到，作為OPTModel的內(nèi)部輸出端口；outputPort包括設(shè)計(jì)變量，由算法產(chǎn)生并賦值到子模型，作為OM的內(nèi)部輸入端口；inputEvent當(dāng)子模型執(zhí)行完成后，向OPTModel發(fā)布evStop事件，通知仿真已完成，OPTModel可以做出相應(yīng)的動(dòng)作；outputEvent當(dāng)OPTModel更新了一組設(shè)計(jì)變量后，將向子模型發(fā)布evStart事件，通知子模型開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)。

以上將內(nèi)部和外部接口分開(kāi)，使得OPTModel可以從外部看作與DSGModel相同的組件，在多級(jí)優(yōu)化和其他復(fù)雜的混合計(jì)算構(gòu)架中需要用到。以下描述的算法模型也采用這種思想。

3.5 迭代模型

迭代模型(ITERModel)用于平衡耦合學(xué)科(或子模型)的輸入/輸出關(guān)系,與OPTModel的操作、調(diào)度和組成均類似，不同點(diǎn)在于ITERModel采用的算法不同，因而語(yǔ)義接口不同。另外，外部輸出端口表示耦合參數(shù)的收斂值，而不是最優(yōu)設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

3.6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型

試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型(DOEModel)主要包括兩方面功能：一是取樣。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)合理選取適當(dāng)?shù)臉颖军c(diǎn)；二是參數(shù)分析，在第一個(gè)功能基礎(chǔ)上，采用曲線、圖表方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)響應(yīng)參數(shù)的影響趨勢(shì)。這兩個(gè)功能往往是分開(kāi)使用的，應(yīng)該將其劃分為兩個(gè)模型，實(shí)驗(yàn)取樣模型(doE Sample Model，ESM)和參數(shù)分析模型(doE Analysis Model，EAM)。

圖5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型接口

EAM一般不直接參與到多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程。MO主要應(yīng)用ESM的取樣結(jié)果，作為近似建模、優(yōu)化(優(yōu)化變量初始值)的輸入。

ESM的形式化描述與OM一致，不同點(diǎn)仍然是算法語(yǔ)義接口和輸入/輸出端口的內(nèi)容?，F(xiàn)有的取樣方法主要有：參數(shù)法、中心復(fù)合設(shè)計(jì)、拉丁超方、全因子、正交矩陣、均勻設(shè)計(jì)等。外部模型的輸入/輸出端口為:

InputPort=

OutputPort==< SpItem1, SpItem2, …, SpItemn >

圖8 總體設(shè)計(jì)流程示意圖

其中，為取樣方法參數(shù)、為子模型不作為變量的輸入端口、為變量的基準(zhǔn)點(diǎn)、為設(shè)計(jì)空間范圍。為輸出的設(shè)計(jì)矩陣，是一個(gè)列表，每個(gè)列表?xiàng)l目對(duì)應(yīng)一個(gè)樣本點(diǎn)，存儲(chǔ)輸入端口和對(duì)應(yīng)的輸出端口。

3.7 連接模型

連接模型(LNKModel)主要用于建立各模型之間的通信和數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。在連接關(guān)系中，用作輸出對(duì)象的模型稱為源模型(source model)；用作輸入對(duì)象的模型稱為目標(biāo)模型(object model)。每個(gè)連接由多個(gè)連接條目(LinkItem)組成，如圖6所示。每個(gè)連接條目確定一條完整的參數(shù)傳遞信息。

LINK_ITEM<目標(biāo)模型，源模性，目標(biāo)參數(shù)端口，源參數(shù)端口>

模型樹(shù)中，每個(gè)模型均可能與其它模型存在數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。本軟件的連接原則是：只能在父模型和子模型、以及同層子模型之間發(fā)生數(shù)據(jù)連接。

圖6 連接關(guān)系示意圖

3.8 組合模型

以上描述的模型在MDO中是不可分解的元模型。組合模型(ASSModel)是將多個(gè)關(guān)聯(lián)的元模型進(jìn)行綜合，僅暴露外部輸入/輸出接口。其接口特征與基本專業(yè)模型相同，但其本身不作為功能實(shí)體。采用LNKModel建立內(nèi)部關(guān)系，通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述外部接口信息，如圖7所示。

圖7 組合模型的組成與接口

4 多學(xué)科協(xié)同與優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)方案論證階段的總體一體化方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文基于以上軟件框架與各專業(yè)計(jì)算模型理念，開(kāi)展了運(yùn)載火箭總體多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)載火箭總體性能多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題可以概括為在滿足起飛質(zhì)量約束、運(yùn)載能力約束、落區(qū)約束和姿態(tài)穩(wěn)定性約束的基礎(chǔ)上，優(yōu)化火箭構(gòu)型、質(zhì)量等設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)有效載荷與起飛質(zhì)量比最大化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

具體的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

運(yùn)載火箭的總體概念設(shè)計(jì)包括外形方案設(shè)計(jì)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、彈道方案設(shè)計(jì)四部分。

4.1 外形方案設(shè)計(jì)

支持從外形部件庫(kù)中選擇常用部件幾何外形，并組合形成運(yùn)載火箭外形。在界面中可以對(duì)各種備選方案進(jìn)行選擇，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，構(gòu)造外形布局方案，包括：頭部母線類型、連接段幾何參數(shù)、助推器幾何參數(shù)、穩(wěn)定翼參數(shù)等，如圖9所示。

圖9 總體外形設(shè)計(jì)

4.2 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)

建立一套發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括：幾何、質(zhì)量、性能等信息。可通過(guò)選擇火箭方案類型，確定相關(guān)性能參數(shù)。

4.3 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)模塊旨在確定在不同飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩系數(shù)，為彈道設(shè)計(jì)模塊、姿態(tài)控制模塊提供數(shù)據(jù)支撐。計(jì)算模型采用比較成熟的部件組合法，可以對(duì)箭體外形進(jìn)行快速估算，其精度在箭體初步設(shè)計(jì)階段是比較滿意的。本模型將整個(gè)箭體按部件拆分為：箭體模塊、助推器模塊、翼(舵)模塊，其中，箭體模塊可拆分為：頭部、錐段、圓柱段、尾部等部件。由各個(gè)部件氣動(dòng)數(shù)據(jù)并考慮部件相互干擾，整合形成全套氣動(dòng)數(shù)據(jù)。計(jì)算流程圖如圖10所示。

圖10 氣動(dòng)模塊計(jì)算流程

軟件采用數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線，對(duì)不同飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析。根據(jù)運(yùn)載火箭的級(jí)數(shù)不同，分別計(jì)算各級(jí)相應(yīng)的氣動(dòng)參數(shù)，滿足彈道計(jì)算對(duì)氣動(dòng)參數(shù)的需求。

4.4 彈道方案設(shè)計(jì)

運(yùn)載火箭彈道設(shè)計(jì)包括六個(gè)模塊：初始化，飛行程序角設(shè)計(jì)，主動(dòng)段彈道計(jì)算，自由段彈道計(jì)算，殘骸落區(qū)計(jì)算和彈道參數(shù)輸出。其關(guān)系如圖11所示。

圖11 彈道設(shè)計(jì)流程

1)初始化模塊。根據(jù)運(yùn)載火箭氣動(dòng)模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，質(zhì)量特性模塊以及用戶界面輸入，對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射前狀態(tài)進(jìn)行初始化。

2)飛行程序角設(shè)計(jì)模塊。用戶通過(guò)設(shè)定運(yùn)載火箭每級(jí)的俯仰程序角始末值，并選擇程序角變化方式(按攻角變化或者按俯仰角變化)，得到運(yùn)載火箭每級(jí)的飛行程序角變化規(guī)律，用于主動(dòng)段飛行。

3)主動(dòng)段彈道模塊。根據(jù)初始化模塊，飛行程序角設(shè)計(jì)模塊以及環(huán)境模塊提供的數(shù)據(jù)，在發(fā)射坐標(biāo)系下解算運(yùn)載火箭彈道的各項(xiàng)參數(shù)。

4)自由段彈道模塊。根據(jù)LEO、SSO、GTO三種軌道的不同需求，由用戶設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，在發(fā)射慣性坐標(biāo)系下解算運(yùn)載火箭彈道的各項(xiàng)參數(shù)。

5)殘骸落區(qū)計(jì)算模塊。由用戶輸入殘骸阻力系數(shù)特性，將殘骸分離點(diǎn)的飛行狀態(tài)作為初始狀態(tài)，估算殘骸落區(qū)。

6)彈道參數(shù)輸出模塊。由彈道計(jì)算得到的速度，位置等各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)各種公式解算出其他模塊或者用戶需要的用于輸出的參數(shù)。

彈道方案和相關(guān)制導(dǎo)參數(shù)確定后，進(jìn)行各段彈道仿真計(jì)算。彈道計(jì)算所需的氣動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和質(zhì)量特性等數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件提供的計(jì)算模塊給出，也可從外部輸入(風(fēng)洞試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、質(zhì)量質(zhì)心測(cè)試數(shù)據(jù))。

4.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以上協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，可利用優(yōu)化算法，根據(jù)設(shè)定的設(shè)計(jì)變量范圍、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)，自動(dòng)完成多方案性能參數(shù)優(yōu)化?？傮w設(shè)計(jì)優(yōu)化功能模塊提供了優(yōu)化變量選擇與配置、約束條件設(shè)置、優(yōu)化目標(biāo)選擇、優(yōu)化算法選擇與配置、集成優(yōu)化計(jì)算、優(yōu)化結(jié)果分析等功能界面，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

本文基于運(yùn)載火箭總體外形參數(shù)化方法、氣動(dòng)力部件組合工程算法、考慮液體消耗的質(zhì)量特性計(jì)算方法和3中典型彈道計(jì)算方法構(gòu)建總體多學(xué)科設(shè)計(jì)模型。結(jié)合軟件框架的層次式模型管理技術(shù)，形成集總體外形設(shè)計(jì)、氣動(dòng)計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)、質(zhì)量特性計(jì)算、彈道設(shè)計(jì)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證此軟件具備總體方案快速設(shè)計(jì)、性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)3大功能，對(duì)運(yùn)載火箭的總體概念設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 呂晶晶,等.復(fù)雜耦合系統(tǒng)新興的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(5):933-939.

[2] 余雄慶,等.考慮不確定性的飛機(jī)總體參數(shù)優(yōu)化方法[J].航空學(xué)報(bào),2009,30(10):1883-1888.

[3] 胡 峪,等.飛機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)的分級(jí)優(yōu)化方法[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,19(1):144-147.

[4] 黃 俊,等.飛機(jī)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)的新進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào),2000,21(6):481-487.

[5] 陳小前,等.近似方法在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2004,24(1):212-215.

[6] 卜廣志,等.使用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對(duì)魚雷總體綜合設(shè)計(jì)的建模思路研究[J].兵工學(xué)報(bào),2005,26(2):163-168.

[7] 陳琪鋒,等.分布式協(xié)同進(jìn)化MDO算法及其在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào),2002,23(3):245-248.

[8] 羅世彬,等.基于響應(yīng)面模型的二維高超聲速進(jìn)氣道優(yōu)化[J].宇航學(xué)報(bào),2007,28(5):1127-1132.

Research on Develop Technology of Launch Vehicle Multi-disciplinary Conceptual Design

Xiao Jin, Du Kejun, Ma Suhong

(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076,China)

To meet the“generalization, combination, series”design requirements of new launch vehicle and for purpose of reducing costs and increasing benefits, study on the multidiscipline integration design method is necessary. Sorting out the engineering algorithms in disciplines of Overall Design, Air Dynamic, Trajectory Design and Attitude Control during concept design, combining with MDO and the software architecture method of hierarchical model management, a multidiscipline integrated and optimized software construction technique is proposed, orienting to launch vehicle concept design, which covers the definition and management on eight types of software models, including the professional model, CAD model, simulation model, optimization model and iteration model. A professional calculation and analysis software is implemented accordingly, with capabilities of parametric design on rocket Core, Booster, Stable Fin and other overall configuration. It supports the calculation and performance analysis of air dynamic based on component combination method, the calculation of mass characteristic, propulsion system selection and trajectory calculation, analysis and optimization. The functionality to display and edit 3D images is also provided. The study and implementation of software constructure technique provides tool support for multidiscipline integration during concept design of launch vehicle.

launch vehicle; conceptual design; software

2016-12-24；

2017-02-27。

肖 進(jìn)(1983-)，男，湖南常德人，博士，主要從事運(yùn)載火箭數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)07-0154-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.039

TP3

A