基于多島遺傳算法的小型有效載荷分離裝置質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計

趙山杉，張 雯，李 晶，鐘杰華

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

基于多島遺傳算法的小型有效載荷分離裝置質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計

趙山杉，張 雯，李 晶，鐘杰華

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

以小衛(wèi)星為代表的小型有效載荷具有功能密度高，新技術(shù)吸納快的特點，對分離姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、分離沖擊、分離參數(shù)偏差等提出更高的要求，使得傳統(tǒng)分離裝置設(shè)計方法有一定局限性，容易導(dǎo)致分離裝置結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏大。本文建立了基于多島遺傳算法的分離裝置質(zhì)量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)果表明，在滿足分離約束條件下，該方法能夠有效減輕分離裝置結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同經(jīng)驗計算值相比，質(zhì)量減輕約30%，節(jié)省了材料，降低了成本，具有實用價值和推廣意義。

小型有效載荷；分離裝置；優(yōu)化設(shè)計；多島遺傳算法

0 引 言

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，有效載荷的功能變得越來越復(fù)雜，質(zhì)量、體積也在逐步增加，不僅造價越來越昂貴，同時承擔(dān)的風(fēng)險也愈來愈大。這迫使人們將目光轉(zhuǎn)移至以小衛(wèi)星為代表的高功能密度的小型有效載荷上來。

現(xiàn)代小型有效載荷具有質(zhì)量輕、體積小、新技術(shù)吸納快、功能密度高、發(fā)射方式靈活的技術(shù)特點，決定了其分離技術(shù)具有一定特殊性。如何精確地完成小型有效載荷和發(fā)射平臺的分離，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域中亟待解決的重要問題之一[1,2]。對于高功能密度的小型有效載荷，傳統(tǒng)分離裝置設(shè)計一般依靠經(jīng)驗進行設(shè)計、仿真或試驗，很難達到系統(tǒng)性能的最優(yōu)，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量冗余。

分離裝置質(zhì)量優(yōu)化問題在本質(zhì)上屬于約束優(yōu)化問題，其解空間隨著設(shè)計變量總數(shù)和目標(biāo)總數(shù)的增加呈指數(shù)增加，這類優(yōu)化問題會有大量的局部極值點，具有不可微、不連續(xù)、有約束條件和高度非線性的特性。一般需要應(yīng)用相應(yīng)的優(yōu)化算法。目前優(yōu)化算法主要包括傳統(tǒng)優(yōu)化算法和智能優(yōu)化算法兩類。相比智能優(yōu)化算法，多數(shù)傳統(tǒng)優(yōu)化算法都是從搜索空間的單點出發(fā)，通過某些轉(zhuǎn)換規(guī)則確定下一點[3～8]，這種點到點的搜索方法在多峰值優(yōu)化問題中，容易陷入局部最優(yōu)解。近年來，以遺傳算法為代表的智能優(yōu)化算法在這類優(yōu)化問題中得到重視，它能實現(xiàn)全局尋優(yōu)并能克服傳統(tǒng)優(yōu)化方法的局限性。

多島遺傳算法是在傳統(tǒng)遺傳算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在許多領(lǐng)域得以成功應(yīng)用，被證明具有極強的全局尋優(yōu)能力。將多島遺傳算法應(yīng)用于非線性、帶約束優(yōu)化問題中，可以克服傳統(tǒng)優(yōu)化方法（如均勻化方法、變密度法、ICM法等）過程中靈敏度計算復(fù)雜、易陷入局部最優(yōu)解等問題。本文運用多島遺傳算法，在多約束條件下對小型有效載荷分離裝置質(zhì)量進行優(yōu)化，與經(jīng)驗設(shè)計值相比，質(zhì)量指標(biāo)大幅提升。

1 壓簧分離裝置

壓縮螺旋彈簧是目前小型有效載荷常用的分離裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、分離可靠性高等特點，其作用力與作用行程非常適合小型有效載荷的分離。但由于不可能制造出理想的、性能和參數(shù)完全一致的彈簧鋼絲，所以螺旋彈簧力的方向通常與其幾何軸線并不嚴(yán)格相符。為了提高彈射分離的精確性，在彈簧外面罩上一組套筒，利用彈射分離推桿（又稱壓簧彈射器）減小彈簧側(cè)向分力以及相對于其軸線的力矩對分離的影響。壓簧分離裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

小型有效載荷分離通常采用4點對稱布置方式安裝壓簧分離裝置。壓簧分離裝置的核心零件是壓縮彈簧，其材料選用不銹鋼絲0Cr17Ni12Mo2，它具有耐腐蝕、耐高低溫的優(yōu)點。切變模量G=79 GPa，端部結(jié)構(gòu)形式采用RY I型兩端圈壓緊并磨平。

考慮解鎖同步誤差及不失穩(wěn)要求，彈簧彈射行程越長，則解鎖時間同步誤差所帶來的姿態(tài)誤差越小，但彈簧失穩(wěn)導(dǎo)致的力學(xué)特性變化越大。分離彈簧彈性系數(shù)如下：

式中K為彈簧剛度；D為彈簧中徑；G為彈簧絲材料的切變模量；n為彈簧有效圈數(shù)；d為彈簧絲直徑。

2 多島遺傳算法

多島遺傳算法（Multi-Island Genetic Algorithm，MIGA）是在傳統(tǒng)遺傳算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它將整個進化群體劃分為若干子群，這些子群稱為島嶼。在每個島嶼上對子群體獨立的進行傳統(tǒng)遺傳算法的選擇（Crossover）、交叉（Selection）、變異（Mutation）等遺傳操作。選擇機制上采用輪盤賭選擇法，在選擇中最佳個體并不是從所有個體中選取，而是從隨機選擇的個體組成的一個小的子集中選取，這樣允許子種群中個體復(fù)制，子集的大小是根據(jù)相對輪盤大小計算得到。同時采用精英保留策略，保證了將父代中的最佳個體復(fù)制到子代中。多島遺傳算法定期隨機選擇一些個體進行遷移操作，將其轉(zhuǎn)移到別的島嶼上，通過這種方式，可以維持群體的多樣性，盡可能避免局部最優(yōu)解，從而抑制了早熟現(xiàn)象。

考慮到多島遺傳算法的上述特點及優(yōu)越性，本文基于多島遺傳算法對分離裝置質(zhì)量進行了優(yōu)化，所用多島遺傳算法優(yōu)化參數(shù)如表1所示。

表1 多島遺傳算法的優(yōu)化參數(shù)

3 分離裝置質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計

質(zhì)量是衡量分離系統(tǒng)方案的一個重要指標(biāo)。在滿足性能指標(biāo)的情況下，質(zhì)量的減少意味著承載更多的有效載荷，這對于質(zhì)量較小的小型有效載荷來說尤為重要。質(zhì)量優(yōu)化又稱為保證性能指標(biāo)前提下的最小質(zhì)量設(shè)計，建立分離系統(tǒng)質(zhì)量模型進行質(zhì)量估算，并在此基礎(chǔ)上進行質(zhì)量優(yōu)化。

小型有效載荷分離裝置的關(guān)鍵部件是壓簧彈射器，它也是整個分離系統(tǒng)中質(zhì)量最大的部分，在滿足分離要求的前提下，其質(zhì)量越小越好。壓簧彈射器的相關(guān)尺寸根據(jù)壓縮螺旋彈簧確定，比如由彈簧作用行程計算推桿長度，由彈簧外徑推算護罩大小等，本文以等節(jié)距等直徑的壓縮螺旋彈簧參數(shù)作為設(shè)計變量。

3.1 設(shè)計變量選取

設(shè)計壓縮螺旋彈簧時，除選擇材料及規(guī)定熱處理要求外，主要是根據(jù)最大工作載荷Fp、工作行程L以及結(jié)構(gòu)要求等，確定彈簧的中徑D、簧絲直徑d、工作圈數(shù)n、彈簧的自由高度H0等。因此，為了便于iSIGHT與ADAMS平臺的計算與分析，選取彈簧剛度K、工作行程L、最大工作載荷Fp作為設(shè)計變量，其余參數(shù)可根據(jù)設(shè)計手冊和結(jié)構(gòu)要求得到，即

各設(shè)計變量變化范圍如表2所示。

表2 最小質(zhì)量優(yōu)化的設(shè)計變量

3.2 質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)

3.3 約束條件

a）最大分離速度：（1.0±0.2） m/s；

b）最大姿態(tài)角速度不大于5 (°)/s；

c）滿足壓簧設(shè)計的相關(guān)約束條件，比如穩(wěn)定性、旋繞比等。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

利用iSIGHT與ADAMS集成平臺，對分離裝置質(zhì)量進行了優(yōu)化設(shè)計計算。

優(yōu)化平臺運行流程見圖2。

目標(biāo)函數(shù)sm的優(yōu)化結(jié)果如圖3、圖4所示，分別表示所有設(shè)計情況、優(yōu)化收斂情況?？梢钥闯鲭S著進化代數(shù)的增加，質(zhì)量先是有所增大，然后逐漸向著質(zhì)量最小化的方向進化，最終收斂于90 g。

分離裝置設(shè)計優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)驗值比較如表3所示。

表3 分離裝置設(shè)計優(yōu)化結(jié)果與經(jīng)驗值比較

對于優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，判斷穩(wěn)定性和旋繞比：高徑比b=H0/D=3.615<3.7，因此采用一端固定一端回轉(zhuǎn)的安裝方式即可避免失穩(wěn)現(xiàn)象，滿足穩(wěn)定條件。旋繞比C=D/d=11，滿足4≤C≤16。因而優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是合理的。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，單個壓簧彈射器質(zhì)量下降到93.5 g左右，經(jīng)驗值約降低了30%。

4 結(jié) 論

本文建立了基于多島遺傳算法的分離裝置質(zhì)量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對壓簧分離裝置優(yōu)化設(shè)計，充分發(fā)揮了壓簧的承載能力，減輕了分離彈簧及相應(yīng)推桿、護罩和蓋板的質(zhì)量，節(jié)省了材料，降低了成本。優(yōu)化結(jié)果表明，建立的分離裝置質(zhì)量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是合理可行的，具有實用價值和推廣意義。

[1] 謝長雄, 徐月同, 傅建中, 吳昌聚, 陳子辰. 皮衛(wèi)星星箭分離機構(gòu)運動系統(tǒng)設(shè)計[J]. 宇航學(xué)報, 2014, 35(6): 626-632

[2] 陳靖, 張翔, 陳衛(wèi)東, 等. 微小衛(wèi)星解鎖分離裝置主結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及優(yōu)化[J]. 航天器環(huán)境工程, 2012, 29(6): 681-686．

[3] Singaravelu J, Jeyakumar D, and Rao B N. Reliability and safety assessments of the satellite separation process of a typical launch vehicle [J]. Journal of Defense Modeling and Simulation: Applications, Methodology, Technology, 2011, 3: 1-14.

[4] Hua J, Jin D. Coordinate transform methods and their application in simulation of missile with wrap around fins [J]. Computer Simulation, 2007, 24(7): 43-46.

[5] Gilberto A J, Evandro M R, Ijar M, et al. Far and proximity maneuvers of a constellation of service satellites and autonomous pose estimation of customer satellite using machine vision[J]. Acta Astronautica, 2010, 66: 1493-1505.

[6] 洪鵑, 孫成通. 基于 iSIGHT 的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研究[J]. 臨沂師范學(xué)院學(xué)報, 2009, 31(3): 62-65.

[7] 牟淑志, 杜春江, 牟福元, 等. 基于多島遺傳算法的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2009, 28(10): 1316-1320.

[8] 張更新. 現(xiàn)代小衛(wèi)星及其應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

Mass Optimization Design of Separation Devices for Pint-size Load Based on Multi-Island Genetic Algorithm

Zhao Shan-shan, Zhang Wen, Li Jing, Zhong Jie-hua
(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The pint-size loads, such as small satellite, have property of high function density and fast new technology application. However, when applied in pint-size loads, traditional separation technology has such problems like huge separation impact, low reliability, large weight, etc. Traditional design and analysis methods of separation devices are also not fully suitable for pint-size loads. In this paper, model of separation devices mass optimization is established based on multi-island genetic algorithm. The operation results indicate that the mass of separation mechanism is decreased by 30.7%, which shows that the multi-island fully optimizes the performance of separation devices. The proposed optimization approach obtains a better application.

Pint-size Load; Separation Device; Optimization Design; Multi-Island Genetic Algorithm

V421

A

1004-7182(2017)02-0016-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170204

2016-03-03；

2016-10-08

趙山杉（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為分離系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)總體設(shè)計