[发明专利]卫星隔热层与散热面的系统的联合优化设计参数确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于混沌遗传算法(Chaos Genetic Algorithm，以下简称CGA)的纳卫星隔热层厚度与散热面面积联合优化设计方法，属于航天科学技术领域。

背景技术

(1)纳卫星的产生与应用

纳卫星最早由美国航空航天公司(Aerospace)于1993年在一份研究报告中首次提出，它是以近年来发展起来的微型机电一体化系统(MEMS，简称微机械)技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器(ASIM)为基础的一种全新概念的卫星。纳卫星集聚了微电子机械、轻型复合材料和超精细机械加工等新技术、新材料、新工艺，其质量在1～10kg之间，而功能密度极大提高。

纳卫星既能实现单颗廉价小卫星快速完成单项任务，又能以众多的低成本高性能小卫星组成星座，完成复杂的航天任务。纳卫星在全球个人通信、移动通信、地球环境监测、科学研究、技术演示、行星探测、教育及军事等方面有着广阔的应用前景。纳卫星的发展，酝酿着航天领域的一场重大变革，纳卫星将在未来的航天系统中占据重要的地位。纳卫星的主要特点有：卫星的一体化设计和集成度高、质量轻；生存能力强、制造与发射费用便宜。是当前国际航天技术发展的重要方向之一，体现了航天器微小化的发展趋势。

(2)传统的航天器热设计方法

随着卫星不断小型化，对于其自身的热管理能力也提出了越来越高的要求。航天器温度控制可以采用被动热控制技术和主动热控制技术，一般以被动热控方法为主主动热控方法为辅。被动热控方法根据航天器的结构特点及其与周围环境或其它构件的热量传输方式来确定相应的热控硬件，以此来合理安排星体表面与空间环境之间及星体内部仪器部件之间的热传递，使航天器的各部件温度都在安全工作的温度范围内。被动热控方法具有技术简单，可靠性好，使用寿命长的优点，是航天器热控的重要手段。常见的航天器被动热控组件有：热控涂层、多层隔热组件、热管、相变换热装置。纳卫星热控设计的目的是通过合理的热设计方法和热控制手段，提供卫星有效载荷和卫星平台各分系统仪器设备正常工作所需的环境温度，同时保证纳卫星所有设备正常工作。

热控设计师所进行的航天器热设计主要通过以下步骤来实现(如图1所示)：(1)对航天器进行热分析，根据航天器在太空的热量收支平衡关系建立其热数学模型；(2)计算到达航天器表面的空间热流，分析并设计散热面；(3)根据经验对各个部件和航天器结构采用热控措施，然后判断可能出现的最冷与最热工况；(4)在确定边界条件后进行热分析计算，判断各部分的温度是否在允许的范围内，如有不合适的部分则要调整该部分相应的热控措施，再进行热分析计算，直至所有的部分的温度都在合适的范围内。这种设计方法需要反复的计算与验证，对于系统级的整体设计所花费的计算量较大，所得到的最终设计结果也并不一定是最优结果；热设计时首先满足的是部件的热设计需求，不能保证整体效果最优。为了达到整体最优效果，有必要对航天器的热控系统部件进行联合优化设计。

(3)常见的优化设计方法

求优化问题最优解或近似最优解的方法主要有：枚举法、启发式算法和搜索算法。这三种方法各有自己的优缺点：枚举法可以枚举出可行解集合内的所有可行解，求出精确最优解，但是其效率较低，非常耗时；启发式算法通过寻求一种产生可行解的启发式规则来寻找最优解，虽然效率较高，但启发式规则不具有通用性；搜索算法通过在可行解集合的子集内进行搜索操作来寻找问题的最优解或近似最优解，它可以在近似解的质量和求解效率上达到较好的平衡。

遗传算法(Genetic Algorithm，简记为GA)是由J.Holland教授提出的一种具有全局优化能力的随机搜索算法。GA算法鲁棒性强，是一种适应性强的全局最优搜索算法。在综合考虑多项评价指标问题的研究中，可以找到优化问题的Pareto解。但是基本遗传算法也有不可避免的缺点：如早熟现象，容易陷入局部最优，找到最优解需要进行大量的迭代计算。为了克服遗传算法的缺点而发挥其优点，一些研究人员将混沌思想引入了遗传算法，形成了混沌遗传算法(CGA)。混沌按Elizabeth Bradley定义为：它是一个确定物理系统的一种复杂的不可预知的，而且看似随机的行为。根据混沌运动的特性，混沌运动可以遍历搜索空间所有的状态，并且每一个状态仅出现一次。CGA根据混沌运动的规律进行搜索，可以遍历解空间中的任一点，因此与其它随机优化算法相比，它可以很容易地跳出局部最优，避免早熟现象。

发明内容

本发明运用混沌遗传算法(CGA)对纳卫星的散热面面积和隔热层厚度进行联合优化设计，以达到纳卫星更好的正常工作的温度要求。