运载火箭性能优化软件研制

论文摘要

解决满足通用化要求的运载火箭性能优化设计问题的一个有效途径是建立综合性的性能优化软件系统。本文在已有研究的基础上,对优化问题的约束处理方法进行了改进,并完成了轨迹优化问题的灵敏度分析,在面向对象方法学的指导下,根据系统的优化模型和优化策略,分析了系统的层次结构,并基于UML建立了仿真系统框架,运用泛型技术进行程序设计,最终实现了运载火箭性能优化软件。该软件可完成不同型号运载火箭和不同性能优化设计要求的优化计算,具有良好的通用性、可维护性和可扩展性,并能较好地适用于工程应用。本文的主要工作是:首先针对罚函数法处理约束所带来的约束条件满足精度不高的问题,尝试采用增广拉格朗日乘子法处理约束,并且实践证明,用该方法可以获得很好的效果,得到了能够更好满足约束指标的最优解。其次根据轨迹优化问题灵敏度分析的需要,选取基于正交试验的灵敏度分析方法,解决了轨迹优化问题没有显函数,无法通过求其偏导数获得灵敏度的难点,同时克服了传统的单因素轮换法对该类问题进行灵敏度分析带来的弊端——无法对有相互作用的因素进行灵敏度分析,并通过对轨迹优化问题进行灵敏度分析,得出了一些有益的结论。再次,通过对运载火箭性能优化软件进行需求分析,设计了软件的基本运行框架,完成了主要计算流程的安排。并且在面向对象设计方法的指导下,对运载火箭对象进行分析和设计,实现了子对象的封装。此外,运用UML统一建模语言对软件进行分析与设计阶段的系统建模,按照面向对象分析、面向对象设计、面向对象程序设计的步骤,进行了基于OOS的仿真系统层次分析,完成了仿真框架设计,并且充分利用面向对象程序设计语言C++的类机制、继承机制、重载机制和动态内存分配等先进技术解决了软件扩展性要求所带来的几个关键问题。在程序设计中,利用泛型技术的弱耦合性、强复用性,以及其提供的利用模板（template）技术所建立起来的可扩展的泛型算法,较好地满足了软件的通用化要求。最后,在软件开发过程中,还将CVS版本控制技术以及Doxygen代码注释文档生成工具应用于实际的工作中,不仅使整个开发过程规范化、标准化,而且为开发工作的顺利进行提供了良好的保障,对于其他的项目开发工作也具有重要的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 运载火箭的发展趋势
• 1.2 新一代运载火箭系列化型谱方案
• 1.3 运载火箭性能优化问题
• 1.4 相关研究
• 1.5 开发运载火箭性能优化软件系统的意义
• 1.6 本文主要工作
• 第2章 运载火箭性能优化问题概述
• 2.1 引言
• 2.2 弹道计算模型
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 运动微分方程
• 2.2.3 飞行程序
• 2.3 优化计算模型
• 2.3.1 轨迹优化模型与优化算法
• 2.3.2 两层优化策略
• 2.3.3 优化设计流程
• 2.4 小结
• 第3章 增广拉格朗日乘子法在轨迹优化问题中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 约束条件的处理方法
• 3.2.1 罚函数法
• 3.2.2 增广拉格朗日乘子法
• 3.3 轨迹优化问题中的约束条件
• 3.3.1 不等式约束
• 3.3.2 等式约束
• 3.4 增广拉格朗日乘子法处理轨迹优化问题中的约束条件
• 3.4.1 罚函数法处理轨迹优化问题的具体方法和缺点
• 3.4.2 增广拉格朗日乘子法在轨迹优化问题中的应用
• 3.5 算例分析
• 3.6 小结
• 第4章 轨迹优化问题中的灵敏度分析
• 4.1 引言
• 4.2 灵敏度分析的基本方法
• 4.3 正交试验设计原理
• 4.3.1 正交试验设计的基本概念
• 4.3.2 正交表简介
• 4.3.3 用正交表安排试验
• 4.3.4 正交试验设计法分析方法
• 4.4 基于正交试验的灵敏度分析
• 4.4.1 极差分析法
• 4.4.2 灵敏度与因素优水平、极差之间的关系
• 4.4.3 基于正交试验的灵敏度分析过程
• 4.5 应用实例
• 4.6 小结
• 第5章 运载火箭性能优化软件设计与开发
• 5.1 引言
• 5.2 性能优化软件需求分析
• 5.2.1 系列化要求
• 5.2.2 多样化的性能要求和优化要求
• 5.2.3 通用化要求
• 5.2.4 软件所需具备的基本功能
• 5.3 软件运行框架及主要的计算流程
• 5.3.1 基本设计思想
• 5.3.2 软件总体结构
• 5.3.3 软件流程
• 5.3.4 弹道计算流程
• 5.3.5 轨迹优化计算流程
• 5.3.6 灵敏度分析计算流程
• 5.3.7 前后处理模块
• 5.4 对象模型的类设计
• 5.4.1 火箭对象子模块
• 5.4.2 数学函数库子模块
• 5.4.3 基本管理子模块
• 5.4.4 弹道计算子模块
• 5.4.5 算法子模块
• 5.4.6 敏感性分析子模块
• 5.4.7 界面子模块
• 5.5 关键技术
• 5.5.1 UML
• 5.5.2 面向对象的软件开发
• 5.5.3 泛型程序设计及STL
• 5.5.4 CVS版本控制
• 5.5.5 Doxygen代码注释文档生成
• 5.6 软件部分界面和计算结果
• 5.6.1 软件主要界面
• 5.6.2 部分计算结果
• 5.7 小结
• 第6章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文目录