空间碎片环境中基于可靠性分析的航天器布局优化研究
发布时间：2021-09-08 19:47
由于空间中的空间碎片数目日益增多,航天器受到空间碎片撞击的概率不断增大,从而导致航天器有很高的概率因空间碎片的撞击而失效。由于在空间碎片环境中,卫星整星的失效往往是由于部组件被撞击受损而导致的,因此,为了提高卫星在空间碎片环境中的生存能力,需要找到卫星中的重要部组件,并对其进行合理布局,提高整星在空间碎片环境中的生存能力。本文主要研究了基于可靠性分析的卫星布局优化方法。在本文中主要进行了两个方面的工作,第一个方面是通过对卫星进行可靠性分析找出卫星中的薄弱环节以及对卫星任务成败至关重要的部组件;另一方面是建立了空间碎片环境下航天器部组件布局优化模型,并进行了优化计算。本文主要进行了以下几个方面的分析研究:利用传统的故障树分析法以及贝叶斯网络分析法对已经建立的卫星失效模型进行分析,从中可以计算出各个底事件的相对概率重要度,以及各个根节点的后验概率,这两个值都可以很好的描述卫星中各个部组件的重要程度,从而确定卫星中的薄弱环节。针对传统故障树只能进行二态情况分析这一缺点,以模糊理论为基础建立了贝叶斯网络。以模糊理论为基础建立的贝叶斯网络可以很好的处理多态故障情况,对故障状态有更加准确而细致的描...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SSN截至2020年2月编目在册的空间碎片数量[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-图1-2欧空局“哨兵-1A”在轨遭遇碎片撞击导致功能下降[5]如果航天器的防护结构被击穿，则会对航天器内部部组件造成不利影响，此时需要对航天器内部的部组件的受损情况进行详尽分析。在航天器系统的组成中，有些部件对航天器任务的成功至关重要，而另一些则不然，比如存在备份的飞轮与陀螺等机构。在这种情况下，需要对航天器内部的部组件的布局进行合理的优化，在保证任务实施的情况下，将非重要的部组件放置于外侧，从而提高任务的成功概率。1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1可靠性分析国内外研究现状可靠性分析作为一种卫星评估方法有十分重要的应用价值[7]。其常用的分析方法有故障树分析法以及贝叶斯网络分析法。我国卫星的可靠性分析仍然沿用上世纪七、八十年代的方法，存在分析结果准确率不高、相对保守的缺陷，已经不再适合我国卫星研制的需要，因此对于新的可靠性分析方法的探索、研究和应用已经势在必行[8]。在目前的故障树分析法的研究进展中，主要有以下几种类型的故障树：传统的故障树分析方法、模糊故障树分析[9]、以及T-S故障树分析[10]。传统的故障树分析方法(FaultTreeAnalysis，FTA)是一种对系统可靠性进行分析的有效工具，在卫星可靠性分析过程中已经得到了广泛的应用[11]，但是由于传统的故障树具有二态性质的不足，因而宋华等人提出了T-S故障树分析法[10]。T-S故障树分析法解决了传统故障树中只能描述二态故障、难以描述故障机理等不足等缺点。NASA在上世纪60年代，在故障诊断的基础上，对航天器设备增加了故障预测技术[12]。在目前的研究中，为了利用贝叶斯网络进行推理，进行了故障树向贝叶斯网络的转化[13]，也可以将贝叶斯网络与故障树结合起来进行
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-析，卫星结构如图1-3所示。图1-3MetOp卫星[24]以防护费用及失效风险组成的生存力S(Survivability)作为优化目标，即：1fICCSNC(1-5)其中，fN表示失效数，ICCC表示生命周期费用，包括发射、制造费用（含防护费用）。在英国学者的计算过程中，采用了遗传算法作为主要的优化算法[25]，也为本文优化算法的选取提供了思路。中国空间技术研究院的载人航天总体部的周奉香[26]研究了设备外形与布局优化之间的关系，阐述了航天器的总体布局应该在符合任务需求的情况下，找到合理的布局方式。文中给出了几种典型的布局方式，为本文之后的研究提供了借鉴。大连理工大学的孙治国[27]也进行了相应的布局研究。在他的研究中，他不但考虑了内部部组件之间的相容性以及空间的约束问题，另一方面，还考虑了内部部件之间的性能约束条件。例如整星的平衡性、惯性等方面，也为本文之后的研究提供了借鉴。除此之外，李瑞等[28]在飞机座舱操纵装置空间优化方面的研究，以及张晓燕等[29]对微小卫星的模态分析，还有彭灿等[30]在载人航天器中有关热控布局的研究都对本文在布局优化上的研究有借鉴意义。从崔锋哲[31]以及黄振东[32]等的研究中可以知道，协同进化这一方法也可以应用于研究中，为之后的研究提供了一种研究思路。国防科技大学的秦政[33]也对空间碎片环境下的布局问题做了一定的研究，但是其对卫星中各个部组件的重要程度并未进行详尽分析，由此得出的布局方案并不是十分完备。1.2.3国内外研究现状综述简析综合近年来国内外对航天器在空间碎片环境中可靠性方面的研究以及优化方面的研究，可以得到如下结论：首先，空间碎片环境中的航天器优化设计国内外学者都进行了大量的研究工作，
【参考文献】：
期刊论文
[1]小碎片,大问题[J]. 龚自正. 太空探索. 2018(01)
[2]多阶段协同求解卫星舱耦合布局优化问题的双邻域人工蜂群算法[J]. 黄振东,肖人彬. 中国科学:信息科学. 2016(02)
[3]载人航天器主动热控系统热负荷布局优化[J]. 彭灿,徐向华,梁新刚. 宇航学报. 2015(08)
[4]服务计算中服务质量的多目标优化模型与求解研究[J]. 林闯,陈莹,黄霁崴,向旭东. 计算机学报. 2015(10)
[5]Whipple防护结构弹道极限方程的多指标修正[J]. 贾光辉,欧阳智江,蒋辉,李轩. 宇航学报. 2013(12)
[6]基于T-S故障树和贝叶斯网络的模糊可靠性评估方法[J]. 姚成玉,陈东宁,王斌. 机械工程学报. 2014(02)
[7]设备外形与布局优化的关系[J]. 周奉香. 航天器环境工程. 2012(04)
[8]基于模糊贝叶斯网络的地铁运营安全风险预测[J]. 陆莹,李启明,周志鹏. 东南大学学报(自然科学版). 2010(05)
[9]空间碎片防护研究现状与国内发展建议[J]. 龚自正,韩增尧,庞宝君. 航天器环境工程. 2010(01)
[10]基于故障树的系统可靠性估计不确定性分析[J]. 陶勇剑,董德存,任鹏. 同济大学学报(自然科学版). 2010(01)
博士论文
[1]双系统协同进化方法及在航天器舱设备布局研究[D]. 崔锋哲.大连理工大学 2018
[2]一类航天器布局设计问题的顺序、物理（空间）分解协调方法[D]. 孙治国.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]基于射线法的空间碎片撞击航天器生存力评估[D]. 宋张弛.哈尔滨工业大学 2018
[2]考虑空间碎片影响的航天器风险评估与设备布局设计[D]. 秦政.国防科学技术大学 2016
[3]空间碎片环境中的航天器易损性分析[D]. 王彬.哈尔滨工业大学 2015
[4]卫星综合电子系统方案研究[D]. 陆荣.上海交通大学 2014
[5]基于粗糙集的故障预测及诊断技术在卫星中的应用[D]. 索明亮.哈尔滨工业大学 2013
[6]基于全矢谱的故障预测关键技术研究[D]. 樊碧波.郑州大学 2010
[7]基于贝叶斯网络的软件缺陷预测管理系统[D]. 邵晔慷.上海交通大学 2008
[8]贝叶斯网络在飞机故障诊断与维修优化中的应用[D]. 陈二强.电子科技大学 2007
本文编号：3391378
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SSN截至2020年2月编目在册的空间碎片数量[4]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-2-图1-2欧空局“哨兵-1A”在轨遭遇碎片撞击导致功能下降[5]如果航天器的防护结构被击穿，则会对航天器内部部组件造成不利影响，此时需要对航天器内部的部组件的受损情况进行详尽分析。在航天器系统的组成中，有些部件对航天器任务的成功至关重要，而另一些则不然，比如存在备份的飞轮与陀螺等机构。在这种情况下，需要对航天器内部的部组件的布局进行合理的优化，在保证任务实施的情况下，将非重要的部组件放置于外侧，从而提高任务的成功概率。1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1可靠性分析国内外研究现状可靠性分析作为一种卫星评估方法有十分重要的应用价值[7]。其常用的分析方法有故障树分析法以及贝叶斯网络分析法。我国卫星的可靠性分析仍然沿用上世纪七、八十年代的方法，存在分析结果准确率不高、相对保守的缺陷，已经不再适合我国卫星研制的需要，因此对于新的可靠性分析方法的探索、研究和应用已经势在必行[8]。在目前的故障树分析法的研究进展中，主要有以下几种类型的故障树：传统的故障树分析方法、模糊故障树分析[9]、以及T-S故障树分析[10]。传统的故障树分析方法(FaultTreeAnalysis，FTA)是一种对系统可靠性进行分析的有效工具，在卫星可靠性分析过程中已经得到了广泛的应用[11]，但是由于传统的故障树具有二态性质的不足，因而宋华等人提出了T-S故障树分析法[10]。T-S故障树分析法解决了传统故障树中只能描述二态故障、难以描述故障机理等不足等缺点。NASA在上世纪60年代，在故障诊断的基础上，对航天器设备增加了故障预测技术[12]。在目前的研究中，为了利用贝叶斯网络进行推理，进行了故障树向贝叶斯网络的转化[13]，也可以将贝叶斯网络与故障树结合起来进行
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-析，卫星结构如图1-3所示。图1-3MetOp卫星[24]以防护费用及失效风险组成的生存力S(Survivability)作为优化目标，即：1fICCSNC(1-5)其中，fN表示失效数，ICCC表示生命周期费用，包括发射、制造费用（含防护费用）。在英国学者的计算过程中，采用了遗传算法作为主要的优化算法[25]，也为本文优化算法的选取提供了思路。中国空间技术研究院的载人航天总体部的周奉香[26]研究了设备外形与布局优化之间的关系，阐述了航天器的总体布局应该在符合任务需求的情况下，找到合理的布局方式。文中给出了几种典型的布局方式，为本文之后的研究提供了借鉴。大连理工大学的孙治国[27]也进行了相应的布局研究。在他的研究中，他不但考虑了内部部组件之间的相容性以及空间的约束问题，另一方面，还考虑了内部部件之间的性能约束条件。例如整星的平衡性、惯性等方面，也为本文之后的研究提供了借鉴。除此之外，李瑞等[28]在飞机座舱操纵装置空间优化方面的研究，以及张晓燕等[29]对微小卫星的模态分析，还有彭灿等[30]在载人航天器中有关热控布局的研究都对本文在布局优化上的研究有借鉴意义。从崔锋哲[31]以及黄振东[32]等的研究中可以知道，协同进化这一方法也可以应用于研究中，为之后的研究提供了一种研究思路。国防科技大学的秦政[33]也对空间碎片环境下的布局问题做了一定的研究，但是其对卫星中各个部组件的重要程度并未进行详尽分析，由此得出的布局方案并不是十分完备。1.2.3国内外研究现状综述简析综合近年来国内外对航天器在空间碎片环境中可靠性方面的研究以及优化方面的研究，可以得到如下结论：首先，空间碎片环境中的航天器优化设计国内外学者都进行了大量的研究工作，
【参考文献】：
期刊论文
[1]小碎片,大问题[J]. 龚自正. 太空探索. 2018(01)
[2]多阶段协同求解卫星舱耦合布局优化问题的双邻域人工蜂群算法[J]. 黄振东,肖人彬. 中国科学:信息科学. 2016(02)
[3]载人航天器主动热控系统热负荷布局优化[J]. 彭灿,徐向华,梁新刚. 宇航学报. 2015(08)
[4]服务计算中服务质量的多目标优化模型与求解研究[J]. 林闯,陈莹,黄霁崴,向旭东. 计算机学报. 2015(10)
[5]Whipple防护结构弹道极限方程的多指标修正[J]. 贾光辉,欧阳智江,蒋辉,李轩. 宇航学报. 2013(12)
[6]基于T-S故障树和贝叶斯网络的模糊可靠性评估方法[J]. 姚成玉,陈东宁,王斌. 机械工程学报. 2014(02)
[7]设备外形与布局优化的关系[J]. 周奉香. 航天器环境工程. 2012(04)
[8]基于模糊贝叶斯网络的地铁运营安全风险预测[J]. 陆莹,李启明,周志鹏. 东南大学学报(自然科学版). 2010(05)
[9]空间碎片防护研究现状与国内发展建议[J]. 龚自正,韩增尧,庞宝君. 航天器环境工程. 2010(01)
[10]基于故障树的系统可靠性估计不确定性分析[J]. 陶勇剑,董德存,任鹏. 同济大学学报(自然科学版). 2010(01)
博士论文
[1]双系统协同进化方法及在航天器舱设备布局研究[D]. 崔锋哲.大连理工大学 2018
[2]一类航天器布局设计问题的顺序、物理（空间）分解协调方法[D]. 孙治国.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]基于射线法的空间碎片撞击航天器生存力评估[D]. 宋张弛.哈尔滨工业大学 2018
[2]考虑空间碎片影响的航天器风险评估与设备布局设计[D]. 秦政.国防科学技术大学 2016
[3]空间碎片环境中的航天器易损性分析[D]. 王彬.哈尔滨工业大学 2015
[4]卫星综合电子系统方案研究[D]. 陆荣.上海交通大学 2014
[5]基于粗糙集的故障预测及诊断技术在卫星中的应用[D]. 索明亮.哈尔滨工业大学 2013
[6]基于全矢谱的故障预测关键技术研究[D]. 樊碧波.郑州大学 2010
[7]基于贝叶斯网络的软件缺陷预测管理系统[D]. 邵晔慷.上海交通大学 2008
[8]贝叶斯网络在飞机故障诊断与维修优化中的应用[D]. 陈二强.电子科技大学 2007
本文编号：3391378
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