次世代宇宙往環機における機体設計と飛行経路の統合的最適化に関する研究

下一代航天器飞行器设计与航迹集成优化研究

• 批准号: 02J08617
• 负责人: 横山 信宏
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02J08617/
• 关键词: 宇宙往還機; スパースSQP; メタモデル; 統合的最適化; 剛体運動; 遺伝的アルゴリズム; 剛体ダイナミクス; ハイブリッドGA; 宇宙往還機; スパースSQP; メタモデル; 統合的最適化; 剛体運動; 遺伝的アルゴリズム; 剛体ダイナミクス; ハイブリッドGA

最終年度である本年度では,1.統合的最適化を高速化・安定化するための数値計算法の開発,2.エンジンと機体の一体設計および剛体特性を考慮した宇宙往還機の統合的最適化,の2つに取り組み,研究成果の総まとめを行った.1に関しては,昨年度開発した最適化プログラムであるスパースSQPの高速化を行った.具体的には,統合的最適化問題で扱うヘッセ行列の特殊なスパース構造に着目し,2通りの新たなヘッセ行列更新法を開発した.従来の更新法との比較の結果,提案した更新法はいずれも従来の更新法より格段に速く収束することが確認された.この新しいスパースSQPプログラムと,昨年度開発した効率的なメタモデル(近似関数)作成プログラムを用いることによって,高速かつ安定な統合的最適化プログラムの枠組みを完成させることができ,本研究の目標の1つが達成された.2に関しては,剛体特性として特に重要な縦のトリム能力と静安定性をモデル化し,最適化計算を行った.計算の結果から,静安定性とペイロード輸送能力の間には大きなトレードオフ関係があることを明らかにし,静安定性が設計においてクリティカルな要素であることを確認した.さらに,統合的最適化において,空気吸い込み式エンジンの推進性能と機体形状との相互依存関係のモデル化も行い,その最適解を求めた.最適解から,トリムや静安定性を制約条件として課すか否かによって,機体の形状が大きく変化し,推進性能とトリム・静安定性といった剛体特性との間に大きなトレードオフが存在することが確認された.これらの成果によって,従来の研究よりも精巧で現実的なモデル化のもとで最適解およびその知見を得るという,本研究のもう1つの目標も達成することができた.なお,これらの成果の一部を国際会議ICAS2004で発表し,学生セッションの最優秀論文賞であるICAS McCarthy Awardを受賞した.

在今年的最后一年中，我们采用了两种主要方法：1。开发数值计算方法，以加快和稳定综合优化的速度，2。发动机和机身的集成设计，并考虑到刚体的刚性特征的太空飞机的整合优化。关于1，我们加速了去年制定的优化计划Sparse SQP。具体而言，我们专注于在集成优化问题中处理的Hessian Matrix的特殊稀疏结构，我们有两个新的黑姐妹。我们已经开发了矩阵更新方法。比较常规更新方法，已经确认所有提出的更新方法的收敛速度明显快于常规更新方法。通过使用该新的稀疏SQP程序和去年开发的高效元模型（近似功能）创建程序，我们可以完成快速稳定的集成优化程序的框架，并实现本研究的目标之一。关于2，我们的垂直方向对于刚体特性特别重要。对边缘容量和静态稳定性进行了建模，并进行了优化的计算。计算结果表明，静态稳定性和有效载荷运输能力之间存在重大的权衡关系，并确认静态稳定性是设计中的关键要素。此外，在综合优化中，对推进性能与进气发动机的机身形状之间的相互依赖关系进行了建模，并确定了最佳解决方案。从最佳解决方案来看，机身的形状会大大变化，具体取决于修剪还是静态稳定性作为约束，并且推进性能和刚体的特性（例如修剪和静态稳定性）之间存在巨大的权衡。这些结果使我们能够实现这项研究的另一个目标，即比以前的研究更复杂，更现实的建模，以获得最佳解决方案及其知识。其中一些结果是在国际ICA 2004国际会议上提出的，并在学生会议上获得了最佳论文奖。他获得了麦卡锡奖。