[论文解读] Integrated Optimization of Ascent Trajectory and SRM Design of Multistage Launch Vehicles

Lorenzo Federici, Alessandro Zavoli+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2019

Rocket and propulsion systems research参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于多级运载火箭（特别是基于Vega的轻型运载火箭Vega Light）的上升轨迹与固体火箭发动机（SRM）装药设计的并行协同优化框架。通过采用并行多族群差分进化算法，共同优化燃烧室压力历史、推力方向和飞行参数，该方法在满足结构、气动和推进约束的前提下，将有效载荷质量最大化至太阳同步轨道，实现了225公斤的有效载荷质量，且所有约束均完全满足。

ABSTRACT

This paper presents a methodology for the concurrent first-stage preliminary design and ascent trajectory optimization, with application to a Vega-derived Light Launch Vehicle. The reuse as first stage of an existing upper-stage (Zefiro 40) requires a propellant grain geometry redesign, in order to account for the mutated operating conditions. An optimization code based on the parallel running of several Differential Evolution algorithms is used to find the optimal internal pressure law during Z40 operation, together with the optimal thrust direction and other relevant flight parameters of the entire ascent trajectory. Payload injected into a target orbit is maximized, while respecting multiple design constraints, either involving the alone solid rocket motor or dependent on the actual flight trajectory. Numerical results for SSO injection are presented.

研究动机与目标

• 开发一种用于多级运载火箭第一级初步设计与上升轨迹协同优化的方法论。
• 解决将上面级固体火箭发动机（Zefiro 40）重新用作第一级时所面临的挑战，需为其推进剂装药几何形状进行重新设计以适应新的工作条件。
• 在满足结构、气动和推进约束的前提下，最大化注入太阳同步轨道的有效载荷质量。
• 实现对包含轨迹参数与SRM内弹道参数的高维设计空间的高效探索。
• 通过使用解析函数参数化燃烧室压力历史，减少对复杂三维装药建模和实时燃速计算的依赖。

提出的方法

• 采用并行多族群差分进化（DE）算法，探索轨迹与SRM参数的高维设计空间。
• 利用一组少量的解析函数对燃烧室压力历史进行参数化，实现对推力轮廓和推进剂质量流量的直接控制。
• 优化过程同时调整推力方向、燃烧室压力演化及其他飞行参数，以最大化有效载荷质量。
• 通过罚函数法施加约束，使算法能够在完整解空间中探索，并最终收敛至可行且最优的解。
• 避免对质量流量积分采用数值求积近似，降低计算负荷并提高推进剂质量匹配的精度。
• 优化完成后，利用所得的燃烧室压力历史反向设计Z40第一级发动机所需的三维沟槽形装药几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将固体火箭发动机的内弹道特性与上升轨迹协同优化，以在多级运载火箭中实现最大有效载荷性能？
• RQ2 在新型飞行条件下，将Zefiro 40发动机重新用作第一级助推器时，其最优燃烧室压力历史是什么？
• RQ3 与顺序设计方法相比，轨迹与SRM设计的协同优化在多大程度上能提升有效载荷质量？
• RQ4 在不损失精度或性能的前提下，解析函数对压力历史的参数化在多大程度上可替代详细的三维装药建模？
• RQ5 在元启发式优化中，约束处理技术能否确保结构和气动极限不被突破，同时实现最大有效载荷质量？

主要发现

• 优化后的轨迹实现了225公斤有效载荷注入太阳同步轨道，显著提升了Vega Light构型的性能表现。
• 轴向加速度、动压和弯曲载荷均同时达到其最大允许值，表明飞行器已运行在结构极限状态，验证了解的最优性。
• 整流罩抛射后热流密度仍远低于阈值，表明存在提前抛射的可能性，从而进一步提升性能。
• 通过解析函数成功对燃烧室压力历史进行了参数化，避免了复杂积分运算，显著降低了计算开销。
• 所有约束均得到满足，包括在级间分离时燃烧室压力不低于1 bar的最低阈值，确保任务成功。
• 从亚速尔群岛发射点出发的航迹允许第一、二节在大西洋上空安全飞行，避免了陆地坠落风险。