免费论文：太阳能飞机多学科设计优化及系统综合技术研究

太阳能飞机是以太阳辐射为能量来源的飞行器，因其特别适用于高空长航时任务而受到了广泛关注，可以用于侦察、通信、环境监测等领域，成本低且无污染。但作为一种新概念飞行器，其总体设计缺乏历史数据作为参考，而且由于可用的能量非常有限，在设计过程中如何从系统角度出发实现多学科综合与集成显得尤为重要，采用多学科设计优化(MDO)方法是提高太阳能飞机总体设计水平的有效途径。而由于飞行高度高、续航时间长，使得执行任务期间机载系统发生故障的概率增加，其可靠性成为除能量外影响太阳能飞机续航能力的又一关键因素，有必要通过系统综合实现信息交互和共享，以进一步提高飞机的可靠性和任务能力。本文以太阳能飞机为对象，开展多学科设计优化和系统综合技术研究，取得了一系列研究成果。首先，针对太阳能飞机典型任务要求，建立了以总重最小为目标的多学科设计优化模型，对学科间耦合性进行了分析。应用全局灵敏度方程分析计算主要设计参数对飞机性能的影响，并与系统重分析的结果进行对比，验证了全局灵敏度方程的有效性。其次，对通过周期控制提高太阳能飞机性能的可行性进行了研究，该类型无人机的轨迹优化问题包括飞机动力学模型和能量模型的耦合。对于长航时飞行，能量最优航迹规划可以表示为最优周期控制问题，受无人机的动力学性能约束，优化控制问题通过Fourier伪谱法转化为参数优化问题，并通过SNOPT软件求解。结果表明，通过周期控制，剩余能量与稳态飞行相比有了明显提高，将轨迹优化学科集成到多学科设计优化框架中，可以有效改善总体参数设计。然后，为进一步提高设计质量，对不确定性多学科设计优化方法进行了研究，提出了两种不确定性条件下的MDO优化过程。对于总体参数设计这类非层次系统问题，考虑设计变量的不确定性影响，将序列优化及可靠性评估(SORA)方法引入到并行子空间优化(CSSO)过程中，顺序执行可靠性分析和多学科设计优化以提高执行效率，同时在优化过程中应用响应面近似并不断提高模型精度，降低了计算成本。通过太阳能飞机总体参数设计的算例验证了优化方法的有效性。层次系统设计优化问题主要在概率目标层级分析法(PATC)框架下执行，由于低层子系统的输出是高层子系统的输入，需要解决如何处理概率约束和进行层间不确定性传播的问题，本文用功能度量法(PMA)和性能矩积分法(PMI)分别求解。为了提高各子系统优化效率，结合PATC和单环方法提出了综合可靠性分析和矩估计的统一计算框架，将概率优化问题转化为等价确定性问题，极大地提高了计算效率，该方法可用于解决复杂工程系统可靠性优化分配问题。最后，针对太阳能飞机高空超长航时飞行对机载系统性能和可靠性的需求，以航电技术为基础，进行了系统综合技术研究。参考飞行器管理系统的任务要求，提出了基于VxWorks实时操作系统的管理软件框架，包括任务划分、优先级定义和任务间通信等方面，以满足高可靠性、实时性和长时间稳定运行的性能需求。将CAN总线引入机载系统应用，总结了应用层协议的设计方法，对CAN标识符、数据域结构以及时间触发机制进行了定义。上述设计均在半实物仿真环境下进行了验证。另外，针对机载计算机系统和CAN总线网络的冗余要求，从余度结构、故障检测及余度管理策略等方面提出余度设计原则，进一步提高系统可靠性。总之，论文研究以提高飞行器设计水平为目的，基于优化方法、可靠性工程和信息技术的研究成果，提出了太阳能飞机设计和技术发展的新思路，可以充分挖掘潜力，提高其综合性能和可靠性。本文的研究结果对其他类型飞行器设计也具有参考价值。

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