[发明专利]一种基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器热防护系统结构优化设计方法领域，特别涉及一种基于区间热传导分析和区间可靠性优化的热防护系统尺寸设计方法。

背景技术

随着我国空间技术的快速发展，航天器入轨或返回地面，要穿越大气层，尤其在返回段将遭受严重的气动加热作用。航天器结构的各个部分对温度有不同的要求，大部分仪器设备要求处于一定的温度范围内，因此必须使用热防护系统以对航天器进行温度控制。一般说来，热防护系统厚度越大，热防护能力越好；但是另一方面，厚度增加带来的结构质量增加大大降低了飞行器的总体性能，因此对热防护系统进行精确的温度场分析，通过有效的尺寸优化设计以获得合适的热防护系统厚度就具有重要的意义。

众所周知，不确定性广泛存在于客观世界中，飞行器热防护结构系统在生产制造和使用过程中其热载荷、结构尺寸、材料特性等不可避免地要受到生产缺陷、测量误差等不确定因素的影响，这些都会对热防护系统热传导过程的计算产生影响，导致结构温度场分布产生波动，甚至出现失效的可能性。传统的热防护系统热力学分析和优化设计都是基于确定性模型实施的，不能体现出实际问题含有不确定性的客观本质，常常这些设计方案会引起结构质量的增加以及一定的不安全因素。

为尽可能降低各种不确定性对热防护系统隔热性能的影响，设计者应在设计阶段就预测可能发生的变化，并采取行之有效的计算方法和设计方案，增强温度场对参数变化波动的不敏感性，从而提高飞行器主体结构及仪器设备的使用安全性，这就是基于可靠性理念进行飞行器热防护系统尺寸优化设计方法研究的初衷。对于实际结构的诸多参数不确定性定量化的问题，要获得足够的样本信息，来构造其精确的概率分布函数或模糊隶属度函数往往显得非常困难或成本过高。而区间模型是一类相对较新的不确定性定量化方法，只需通过较少的信息获得变量的上下界，因此在建模方面体现出更好的经济性。另外，对于结构可靠性问题研究的精细化要求使得传统基于安全系数法的设计理念显得过于保守。因此，从计算和优化模型的建立阶段就充分考虑各种不确定性的影响，提出基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法，对于弥补现有热防护系统瞬态温度场数值计算和优化设计的不足，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有设计技术在飞行器热防护系统结构优化中存在的不足，提供一种基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法，将区间有限体积方法引入到含有区间不确定参数的热防护系统瞬态温度场的数值计算中，在保证温度场满足飞行器主体结构使用要求的前提下，得到了一种降低系统总体质量的结构尺寸稳健性设计方案。

本发明技术解决方案：一种基于区间可靠性的飞行器热防护系统尺寸优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：确定需要进行优化设计的飞行器热防护系统的基本设计变量以及相关的设计参数，设计变量用x＝(x₁,x₂,x₃,x₄)^T来表示，其中：

x₁、x₂、x₃、x₄分别表示辐射涂层、上表面织布层、绝热层、下表面织布层的厚度；根据实际工程需要，确定以上设计变量的初始范围；

设计参数包括三种材料的物理属性，如材料密度ρ_i，导热系数k_i，比热c_i i＝1,2,3；所承受的热载，用热流密度q来表示；为方便起见，将此计算和优化模型中的相关参数表示为向量α的形式，即：

α＝(ρ₁,ρ₂,ρ₃,k₁,k₂,k₃,c₁,c₂,c₃,q)^T；

步骤二：以热防护系统总体质量作为优化的目标函数，飞行器主体结构的使用温度范围作为约束条件，建立如下优化模型：

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