空间飞行器总体设计

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空间飞行器总体设计范文第1篇

【关键词】多学科设计优化算法；飞行器设计；协同优化方案；复杂系统

飞行器系统设计受到其计算复杂性、信息交换复杂性、模型复杂性、组织复杂性的影响，其初步设计参数的确定需要多学科设计优化算法的参与，从而确保设计质量、降低研发成本、缩短研制时间。传统的飞行器设计割裂了各学科之间的影响作用，系统的整体最优性受到一定程度的冲击，其设计周期和开发成本都相对有所增大。本文以多学科设计优化算法和飞行器设计为重点，简要分析多学科设计优化算法的具体应用。

一、多学科设计优化

一般而言，复杂系统的分析方法是将该系统划分为若干子系统，因子系统之间作用机制的不同，复杂系统又被归属于两大类，一类是层次系统，另一类是非层次系统。层次系统下各子系统呈现出“树”结构，有着较强的顺序性，而非层次系统中的子系统呈现出“网”结构，有耦合关系。目前多学科设计优化算法以非分层系统为主研究点。

从数学上可以表达为：

寻找：X

最小化：f=f（X，y）

约束：hi（X，y） =0（i=1，2，…m）

gi（X，y）≤0（j=1，2，…n）

其中目标函数是f，设计变量是X，状态变量是y；等式约束是hi（X ，y）；不等式约束是gi（X，y）。在非分层系统中，该算法需要多次迭代才能够完成，而分层系统的计算可以依据一定的顺序。这样的计算过程即为系统分析。当系统分析中X有解时，约束与目标函数才能够被获得。

多学科设计优化算法的计算复杂性体现在系统分析过程中迭代的多次使用，而信息交换复杂性体现在受到子系统之间耦合作用的影响，子系统间的信息交换呈现出复杂的特点。多学科设计优化算法以上述两大复杂性为重点，而理想化的算法包括以下几方面特性：模块化结构；定量的信息交换；子系统之间优化和分析的并行；设计的能动性；计算次数的减少；子系统与工程设计组织形式的一致性；全局最优解的得出概率最大化。

二、多学科设计优化算法与应用

多学科设计优化算法包括三大方面，协作优化、并行子空间优化和单级优化。

（一）单级优化算法

单级优化算法中的系统级优化算法主要应用于目标系统复杂性低、变量较少的设计中，其与传统的单学科优化算法有较大的相同点。受到单级优化算法计算次数较多的影响，飞行器设计的分析模型以近似估算为主，对各学科之间的相互作用的反映较少。为了有效解决多学科设计优化中的计算复杂性，设计人员多采用系统分析中的近似值或控制系统分析的次数。

在基于全局敏感方程基础上的单级优化算法中，飞行器整体系统的敏感性能够得到较好地把握，各子系统的敏感分析也能够并行开展。但在实际的应用研究中，该单级优化算法也暴露出相应的问题，其一，仅能针对连续变量；其二，对计算机CPU时间要求较高；其三，子系统中的设计优化有所欠缺。

一致性约束优化算法主要通过对子系统之间耦合关系的规避来促进各子系统的系统分析的独立性。该算法中分析过程和设计过程有着较强的同步性，各子系统能够独立的进行维护和更换，但其设计优化的目的依然未能得到实现，子系统的分析计算量也相对较大。

（二）并行子空间优化算法

并行子空间优化算法包括基于全局敏感分析的优化算法，改进版的基于全局敏感分析的优化算法和基于响应面的优化算法。

基于全局敏感的并行子空间优化算法中，各子系统互相独立，其优化的设计变量也具有差异性，系统设计变量为各子系统设计变量的组合。该算法能够有效减少计算次数，实现不同子系统的同时设计优化，原系统的耦合性也得以保留。在飞机初步设计中，多学科优化设计软件得到了较广泛的运用。但该项优化算法存在一定的缺陷性，其算法的收敛性不能得到完全的保证，因此振荡现象较为常见。而实际设计中设计变量对子系统影响范围的广泛性也导致了飞行器操稳性能的下降和结构的不稳定。

在全局敏感分析基础上做了改进的并行子空间优化算法能够提高子系统优化整合后的整体效果，数据分析近似模型的精确性得到了较大的提升。改进版的优化算法很好地解决了系统分析中的振荡现象。但上述两种并行子空间优化算法都有局限性，仅能解决连续设计变量的优化。

基于响应面的优化算法并不要求设计人员对系统敏感性开展分析，该方法能够促进连续或离散混合变量的优化问题，并有效消除数值噪音。在飞行器设计中，该算法多应用于通用航天飞机与旋翼机的初步设计中。其优点在于系统全局最优解的得出几率的增高和系统分析次数的降低。但当设计变量 和状态变量y不断增大时，人工神经网络的反应时间也相应有所延长。

（三）协作优化算法

协作优化算法旨在尽可能的减少子系统优化方案和目标方案间的差异性，推动一致性最优设计的实现。该算法有效地规避了计算的复杂性，其系统分析过程中的收敛性也得到了较高的保障。同时，协作优化算法不仅确保了子系统的分析功能，还为子系统的设计优化提供了推动力，各子系统在优化过程中可以忽略其他子系统的干扰，确保约束的满足。结合实际算例来看，协作优化算法还存在一定的问题，其系统分析的次数被加大，优化解的寻找过程相对漫长。

结束语

虽然国内的多学科设计优化算法得到了较好的发展，但其理论问题和实际问题依然较多。并行子空间优化算法和协作优化算法还需要设计人员对其收敛性进行完善的理论证明。目前，多学科设计优化算法广泛应用行器设计中的气动、性能、结构等方面，但动力系统和隐身性能等方面突破较少。多学科设计优化算法未来的发展主要以可靠性、经济分析和维修性为主，建立起科学的分析模型和统计数据库。

参考文献

[1]蒋鲁佳，辛万青，布向伟.导弹总体多学科设计优化耦合关系处理方法[J].导弹与航天运载技术，2009（06）.

[2]尤政，李冠华.多学科设计优化方法在微纳卫星总体设计中的应用[J].中国航天，2010（04）.

空间飞行器总体设计范文第2篇

承载着中国载人航天工程首次交会对接使命的神舟八号飞船，11月1日5时58分07秒从酒泉卫星发射中心点火升空，开始追逐天宫一号的漫漫行程。

为神八送行的二号F遥八火箭喷出礼花般的绚丽尾焰，绽放在秋日黎明的戈壁滩上空。

6时07分5 3秒，船箭分离，神舟八号进入预定轨道。随后，中国载人航天工程总指挥常万全宣布发射成功。此时，神舟八号与天宫一号相距近1 0000公里。

11月3日1时43分，神舟八号沿着陆、海、天基“三位一体”测控网铺就的赴约之路，在中国上空完成交会对接，结成相依相拥的“太空舞伴”。这也意味着中国成为世界上第三个独立完全掌握空间自动交会对接技术的国家。

神舟八号与神舟七号飞船有何区别?中围航天科技集团公司五院载人航天总体部主任设计师石泳表示，神舟八号技术状态改变高达百项，涉及飞船系统、推进舱、舱内和舱外摄像机、电源分系统、总体电路等。同时他还对飞船系统、推进舱及舱外摄像机等方面进行了介绍。

飞船系统：

返回式坐椅体现绿色理念

石泳介绍说，两者的飞船系统存在许多不同。首先，神舟七号的轨道舱是生活舱和气闸舱的结合体，可谓一舱两用――根据其支持航天员太空生活的功能，称为轨道舱，根据其支持航天员出舱活动的功能，称为气闸舱。而神舟八号则没有气闸舱。

从返回舱的外形上看，“神八”与“神七”一样，但“神八”增加了测量敏感器。

石泳表示，神舟八号的一大特色表现在返回式坐椅上，体现了设计人员的绿色理念。他说，飞船坐椅下有一个压力燃气包，其燃气一旦发生泄露，后果不堪设想。因此，“神八”最终用压缩空气来取代燃气，并增加了一套气源组件系统作为动力源，这意味着即使发生泄露也不会对航天员的身体产生任何不利影响。此外，飞船返回时航天员承受的冲击力很大，为了让航天员着陆时感觉更舒适，设计人员对“神八”的坐椅也进行了相应的修改。

石泳还介绍说，神舟八号飞船不但可以前进，还具有平移功能。这也是它的一大亮点。

推进舱：增加12台发电机

石泳说，与“神七”相比，“神八”增加及改进了大量设备，这些设备大小不一，轻重不一、功能不一，所以不能简单地一装了事。

石泳表示，在设计时，推进舱总体单位既要考虑到舱体在太空飞行过程中的重心和平衡，还要根据产品体积大小安装在合适的位置，同时要考虑安装时操作人员的操作和检修方便。经过综合权衡，研究人员做出了科学合理的推进舱总体设计方案，安全调试一步到位，确保了“神八”任务的完成。

石泳还介绍说，在供电能力上，“神八”比“神七”增加了12台发电机，供电能力大大增强。在功能上，“神八”新增了交会对接的能力。

舱外摄像机：

图像处理能力显著

神舟八号与“天宫”的交会对接这一辉煌的时刻，怎么才能迅速传递给全世界?神舟八号飞船的测控与通信分系统解决了这个问题。

石泳说，经过研究，该系统采用了扩频通信方案，并通过大量试验与摸索，选择了合适的参数，最终获得了良好的通信环境。

石泳表示，“神八”的舱外摄像机可受航天员控制，且图像处理的能力比“神七”大大提高。为了满足飞船用户的要求，分系统采用先进的压缩编码体制，双路图像传输模式，大大提高了图像传输质量，保证了画面能够清晰地传回地面，让全世界人民都能看到中国航天的这一壮举。

支会对接全能读

什么是交会对接?

空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称作“轨道交会”。在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器的事件称作“空间对接”。所谓“空间交会对接”是轨道交会和空间对接的总称。

空问交会对接技术是建立空间站最基本最关键的技术，它与载人天地往返、出舱活动并称载人航天的三大基本技术。

载人航天某型号副总设计师徐小平：这就如同一艘船要驶向远处的一个孤岛，是一个寻觅靠近的过程。但这次是一个飞行器在轨高速运行，另一个飞行器对轨发射，高速运转带来很大的难题。

交会对接是怎样完成的?

空间交会对接涉及两个飞行器，一个是目标飞行器，一个是追踪飞行器。

空间交会与对接过程一般是由地面发射追踪飞行器，由地面控制，使它按比目标飞行器稍微低一点的圆轨道运行；接着，通过变轨，使其进入与目标航天器高度基本一致的轨道，并与目标航天器建立通信关系；追踪飞行器调整自己与目标飞行器的相对距离和姿态，向目标飞行器靠近；最后当两个飞行器的距离为零时，完成对接合拢操作，结束对接过程。

北京飞控中心副总工程师李剑：变轨是为后续交会对接奠定基础。近地飞行器发射后，受高层大气阻力的影响，其轨道高度会逐渐降低。通过轨道抬升使其达到最适合对接的角度，尽量减少发动机开机，节省燃料。

交会对接有哪些步骤?

两个航天器在太空的交会和对接是两个不同过程。

上海航天技术研究院研究员、交会对接大型地面试验系统原负责人陶建中介绍，当“神舟八号”和“天宫一号”在同一时刻以同样的速度到达同一个地点顺利交会，两个飞行器的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接的初始条件后，飞行器就将停止控制，让它们根据惯性进行碰撞，整个对接过程一共大约需要十分钊，时问。

对接过程分为8个步骤：

第一步是“相撞”。在惯性作用下，8吨重的“神舟八号”与8，6吨重的“天宫一号”以每秒0，2米左右的速度进行相撞，当“神舟八号”上的丰动对接机构碰撞上“天宫一号”上的被动对接机构，对接过程正式开始。

第二步是“捕获”。当“神舟八号”主动对接机构上的对接环，接到失衡传感器发出对接指令信号后，6根滚珠丝杆就会向外推出200多毫米，对接环上安装的3对捕获锁，撞到“天宫一一号”被动对接机构相对应的卡板器，就会被牢牢地卡住。

第三步是“缓冲”。“神舟八号”对接环受到撞击后，将会通过一套传动机构，联向对接机构上的摩擦自动器和电磁阻尼器，分别吸收纵向和横向的撞击能量，进行缓冲。碰撞、捕获、缓冲三个步骤共需要人约60秒时问。

第叫步是“校正”。当“神舟八号”成功捕获“天宫一号”并实施缓冲后，“神舟八号”对接环的6根滚珠丝杆继续往外推至3000毫米，同时对两个航天器的姿态、位置和偏差等进行强行校准，校准时间约需80秒。

第五步是“拉近”。校准后，“神舟八号”对接环的6根滚珠丝杆缓缓收缩，将两个飞行器“拉近”，这一过程约需240秒。

第六步是“拉紧”。“神舟八号”和“天宫一号”的对接面上，分别安装了6组共12把对接锁，每把对接

锁的拉力达3吨。当两个飞行器被拉近后，两个对接面的12把对接锁――相扣。

第七步是“密封”。两个飞行器拉紧后，对接机构上的驱动电机将带动钢丝绳系统，将两个连接器面上的密封圈压缩，保持密封。

第八步是“刚性连接”。通过埘接锁使两个连接器贴合，实现“刚性连接”，将两个航天器组合成一体。拉紧、密封和刚性连接共需220秒。

交会对接有多难?

天宫一号在仙女般升空后，就等待着它的“情郎”神舟八号于今年11月在太空“敖包相会”，它们的这次“约会”成为了我国航天史上的首次交会对接。这项技术是未来组装火型空间站，乃至载人登月的关键技术。正因如此，交会对接技术与载人天地往返、出舱活动并称载人航天领域的三大基本技术。然而，交会对接技术难度之大或许超过大多数人的想象。

有人比喻，神八与天宫一号的对接过程，就如同太空中两列没有铁轨的高速运行的列车实现首尾相接。通俗地说就是，天宫一号以8公里／秒的速度在飞，神舟八号追上去，然后两者连接在‘起，小仪严丝合缝，还要把液、电、气通上。曾有专家说，这就好像上面放了一根针，底下用一根线，差了几百公里，最后要拿那个线去穿过那个针眼，非常困难。

而交会过程中，如果轨道测量或计算稍有偏差，就可能失之毫厘，差之千里。

交会，是让两个航天器在预定的时间同时到达一个指定的地点聚集。对接的技术相对来说更为复杂，要准确地调整高度、位置、相埘速度以及两个航天器的姿态，靠近时相对速度极慢，速度快了就会产生碰撞。还要使两个航天器轴线基本上在一条直线上，如果轴线棚筹很大，也无法完成对接。

两个航天器的轴线要求基本在一条直线上，要知道两个航天器邯距离地面300多公坐，以极高的速度运行，基本上是第一宇宙速度(7.9公里／秒)，要实现这个控制精度非常难，这对导航定位系统和对接机械都是严峻的考验。

载人航天工程总设计师周建平：交会对接技术是举世公认的航天技术难题，在国外航天器空间交会对接过程中，曾多次出现故障或失败。这次交会对接任务中，我国科研人员在飞行产品研制过程中，始终坚持“质量第一、安全至上”的原则。

还有哪些国家进行了交会对接?

目前为止，只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术。而此次对接成功后，也意味着我国成为世界上第三个完全掌握交会对接技术的国家。

俄罗斯是世界上进行航天器空间交会对接最多的国家，1971年4月6 H成功发射第一个空间站――礼炮－1号，到在轨运行达15年的和平号空间站，历时23年，共发射三代空间站。期间共进行近百次的交会对接，成功率超过90％，约有8次失败，且主要发生在初期。

美国在载人航天计划中不断研究、发展、改进和完善了交会对接技术。在阿波罗登月计划中，为了发展和验证交会对接等关键技术，美国研制并发射了双予星座号系列飞船。1995―1998年，美国的航天飞机还成功地完成与和平号空间站的9次交会对接。

载人飞船系统总设计师张柏楠：早期美国和苏联冷战太空竞赛，急于尽快验证技术，最大特点是要求快。尤其美国在载人航天发展过程中一冉在反复摇摆，政策不稳定，因而空间站建设也不是特别成熟。

而中国的最大特色也是老一辈留下的经验：目标明确、路径坚定。正是本着这样的原则，我们才‘能实现只经过9次发射就到了空问实验室阶段的快速发展。

交会对接有何意义?

空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面。一是为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务。二是为大型空问设施的建造和运行服务。三是进行空间飞行器重构以实现系统优化。

交会对接技术的另一个重大潜在应用领域是载人登月和深空探测任务。这些任务所需运载能力巨大，通过多次发射和交会对接技术在近地轨道完成轨道转移飞行器的组装，是降低对单发运载火箭能力需求的有效途径。

载人航天工程总设计师周建平：我国进行首次交会对接，一方面要确保通过这几次飞行试验，彻底掌握交会对接技术，另一方面要通过实现交会对接的过程，为今后空问站的研制打下坚实基础。

“天神”对接技术为我国独创

中国载人航天工程办公室新闻发言人武平详解了天宫和神八交会对接的过程。

神舟八号飞船为改进型载人飞船，沿用返回舱、推进舱和轨道舱三舱结构，全长9米，舱段最大直径2.8米，起飞质量8082千克。增加了微波雷达、激光雷达、CCD敏感期等交会测量设备以及主动式对接机构，具备自动和手动交会对接与分离功能。对接机构采用导向板内翻式的异体同构周边式构型，对接后可形成0.8米的航天员转移通道。

交会对接飞行过程分为远距离段引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段和分离撤离段。

远距离段引段自神舟八号飞船入轨后开始，在地面测控通信系统的导引下，神舟八号飞船经五次变轨，从初始轨道转移到330千米的近圆轨道，在距天宫一号目标飞行器后下方约52千米处，与天宫一号目标飞行器建立稳定的空空通信链路，开始自主导航。

自主控制段经历寻的、接近和平移靠拢三个阶段，神舟八号飞船通过交会对接测量设备，自主导航至与天宫一号目标飞行器接触，自主控制飞行过程约144分钏，。

对接段从对接机构接触开始，在15分钟之内完成捕获、缓冲、拉近和锁紧四个过程，最终实现两飞行器刚性连接，形成组合体。

组合体飞行段由天宫一号目标飞行器负责组合体飞行控制，神舟八号飞船处于停靠状态。组合体飞行12天左右，择机进行第二次交会对接试验。对接机构解锁后，两飞行器分离，神舟八号飞船撤离至天宫一号目标飞行器140米处停泊，按照对接程序进行第二次交会对接，再次构成组合体。组合体继续飞行2天后，进入分离撤离段。两飞行器再次分离，神舟八号飞船撤离至距天寓一号目标飞行器5千米外的安全距离，交会对接试验结束。

尔后，神舟八号飞船按预定返回程序飞行，返回舱返回主着陆场：天宫寓一号目标飞行器变轨升至高度约370千米自主飞行轨道运行，等待下一次交会对接。

根据交会对接任务计划安排，将于2012年发射神舟九号和神舟十号飞船，再进行两次交会对接。其中神舟九号飞船是否载人，将根据神舟八号飞行任务评估情况决策，神舟十号飞船执行载人飞行。神八升空后“先踩油门”追天宫

天宫一号飞行器经过多次轨道控制，完成平台在轨测试工作，10月30日晚上进入距地面大概343公里的近圆形交会对接轨道。30日晚上7时34分，在北京航天飞行控制中心的控制下，天宫一号飞行成功偏航180度，建立了倒飞姿态，为实施首次空间交会对接做好了准

备。11月3日1时43分，天宫一号与神舟八号首次交会成功。

航天科技集团五院神舟八号项目剐总指挥穆东明说，天宫一号与神舟八号第一次交会对接之后再行分离，之后进行第二次交会对接，以便进一步验证对接技术。“通俗地讲，就像电影《生死时速》里的镜头――两辆高速行驶的汽车在速度接近时可以挨到一起，看起来好像融为一体，专业领域有个说法是1+1=1或1－1=1。天宫一号会逐渐从350公坐的近圆轨道自然降到345公里的轨道面，在这个运行轨道上等待神八的到来。作为追踪飞行器，神八发射升空后首先高速运行，相当于‘踩一脚油门’追上天宫一号，然后降速至与天宫一号相同的速度，之后两者就可以实施交会对接了。”

神八在与天宫一号对接10天后，将进行分离，随后进行第二次对接，继续飞行约半月后，神八飞船将完成使命返回地球，而天宫一号将继续在太空翘首以盼神九、神十以及身居其中的航天员的到来。天宫与神八对接技术为我国独创

载人航天工程总设计师刷建平介绍，天宫一号与神舟飞船的对接技术是我国自主研发的技术创新。周建平表示，从总体方案上讲，我国的首次交会对接和国外当时的做法不一样。美国和前苏联当时用的都是飞船和飞船对接，看起来简单，但是飞行成本高。做三次交会对接，需要发射六次飞船。

为了完成空问交会对接，我国研制了两个飞行器，一个叫“追踪飞行器”，用的是神舟飞船，另外一个是“目标飞行器”，就是天宫一号。研制目标飞行器这种做法和国外不同的是，既要完成现有任务，又兼顾未来发展和效益，这是中国独创。

首先，飞船在轨时间都很短，所以完成一次交会对接需要两艘飞船。而天宫一号目标飞行器在轨可以飞行两年，其间计划安排三次交会对接任务。这样的话，要进行N次交会对接，发射N+1个航天器就行，而天宫一号和载人飞船的成本差不多，可以减少发射次数，降低成本。

其次，天宫一号口标飞行器就是一个小型的长期在轨运行的轨道站或是空间实验室，麻雀虽小，五脏俱全。天寓一号除了完成交会对接以外，和飞船相比，它可以提供人的访问、工作、生活的支持能力。在不久后有航天员参与的空间交会对接中，飞船和目标飞行器对接以后，人可以进入到目标飞行器里，在里面生活和工作一段时间，包括进行科学实验。如果让飞船去做这件事情则是做不到的。

空间飞行器总体设计范文第3篇

关键词：“工程材料学”；航空航天专业；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）04-0124-03

“工程材料学”是航空主机类专业（包括飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和机械工程等专业）的学科基础课程。该课程虽然仅有48学时，但承担着为未来的航空工程师构建材料知识体系的重任，对学生今后的发展起着重要作用。本文结合近年的工作实践，对该课程在教学要求、教学内容和教学方法等方面的改革进行研讨。

一、高度重视航空和材料领域发展对“工程材料学”课程教学的影响

材料学既是基础科学，也是应用科学。材料科学与技术的发展，解决了很多工程领域的关键问题，有力地推进了相关科学和技术的进步，使得材料科学成为最活跃的科学领域，材料产业也成为国民经济发展的重要支柱产业。“工程材料学”以物理学、化学等理论为知识基础，系统介绍材料科学的基础理论和实验技能，着重培养学生把这些知识应用于解决工程实际中提出的对材料结构、性能等方面问题的能力。作为一门重要的学科基础课程，“工程材料学”具有较长的开设历史，在人才培养中发挥了重要的作用。航空航天领域的发展对工程技术人员的能力素质提出了更高的要求，特别是“卓越工程师”教育培养计划的实施，对工程类课程建设的需求更加迫切，有必要以新的形势为背景反思该课程的教学改革。航空以众多学科知识、先进研究成果为基础，已发展成为一个由多个分系统组成的大系统，需要工程技术人员采用系统工程的方法进行综合设计。现代航空技术一百多年的发展，使得人们可以在更大的范围内探索天空，也使得飞行器的工作条件更加恶劣，工作环境更加严苛。现代飞行器不仅要具有速度快、航程大、载重多等特点，还要满足节能低碳等要求。材料科学技术的发展，为解决航空航天领域的诸多难题提供了可能，“一代材料，一代飞机”已成为飞行器发展公认的规律。这对航空航天工程技术人员的材料知识提出了更高的要求。在飞行器及其主要部件的设计、制造和维护工作中，要全面认识材料的性质和特点，才能挖掘材料的潜能，充分利用材料的特性，满足工作需要。面对航空航天迅猛的发展形势，仅了解和掌握已有材料的知识是不够的。具有创新素质的工程技术人员，要了解材料科学与工程的发展方向和趋势，分析材料领域的发展对航空航天领域的影响，同时要认真研究具体工作对新材料、新工艺的要求，明确材料发展的需求。在新型飞行器的研发过程中，要综合考虑用户对飞行器总体性能的多种要求，对各项技术参数进行统一的优化。在落实对飞行器性能的要求时可以发现，很多要求是相互矛盾的，比如飞机的航程和机动性就存在着较大的矛盾。为了获得较好的综合性能，需要对飞机进行一体化设计，要及时掌握各种设计方案对飞机主要材料和工艺的要求，对飞机整体结构进行综合优化。在此过程中，各部门工程师都需要和材料系统密切配合，才能实现信息和资源共享，降低全系统的风险，提高系统的可靠性和综合性能。材料科学技术的迅速发展也对课程教学提出了新的要求。材料科学与技术是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学科。在现代科学技术中，材料科学是发展最快速的学科之一，在金属材料、无机非金属材料、高分子材料、耐磨材料、表面强化、材料加工工程等主要方向上的发展日新月异，促使“工程材料学”课程内容的不断充实。

“工程材料学”课程要系统讲授材料科学与技术的基础理论和实验技能，使得学生掌握工程材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面的知识。早期的航空工程结构以自然材料为主，如在美国莱特兄弟制造出第一架飞机上，木材占47%，普通钢占35%，布占18%。随后，以德国科学家发明具有时效强化功能的硬铝为代表，很多优质金属材料被开发出来，使得大量采用金属材料制造飞机结构成为可能，也使得研究者们投入了更多的精力于金属材料的探索。相应地，这一时期“工程材料学”课程内容也以金属材料为主。上世纪70年代以后，复合材料开始在航空领域应用。复合材料具有较高比强度和比刚度的优点使得工程技术人员对其抱有很大的希望。航空工程师首先采用复合材料制造舱门、整流罩、安定面等次承力结构，而现在复合材料已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。复合材料因其良好的制造性能被大量应用在复杂曲面构件上。复合材料构件共固化、整体成型工艺能够成型大型整体部件，减少零件、紧固件和模具的数量，降低成本，减少装配，减轻重量。复合材料的用量已成为先进飞行器的重要标志。相应地，复合材料必然要在“工程材料学”课程中占重要地位。钛合金的开发和应用使得飞行器具有更好的耐热能力，提高了发动机、蒙皮等结构的性能，有效解决了防热问题。“工程材料学”课程的教学内容应该及时反映材料科学在提高飞行器性能方面的新应用与新进展。与此同时，其他相关学科也取得了长足的发展，使得主机专业教学内容大幅度增加，“工程材料学”课程的教学内容和学时之间的矛盾愈加突出。

二、认真分析专业教学对“工程材料学”课程的不同要求

“工程材料学”课程是一门重要的学科基础课，是基础课与专业课间的桥梁和纽带，在航空航天主机类专业培养学生实践动手和创新创造能力，提高学生综合素质等方面具有重要作用。在多年的教学实践中，该课程对主机类各专业采用同一标准教学。虽然主机类各专业人才培养有其共性要求，但随着航空航天事业的发展，专业分工越来越细，差异化特征也越来越明显，因此“工程材料学”课程应该充分考虑不同专业的具体需求，结合各专业的课程体系安排教学。飞行器设计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和机械工程等主机类专业根据航空领域中的分工培养学生，毕业学生的工作要求有所不同，对知识结构的要求也不一样。就材料方面知识而言，不同专业学生也会有所区别，应按照专业特点纵向划分对“工程材料学”课程的要求。不同专业主要服务对象的材料特点是确定课程要求的主要依据。

飞行器设计与工程专业要全面统筹飞行器产品及各部件的设计和制造，主要从事飞行器总体设计、结构设计、飞机外形设计、飞机性能计算与分析、结构受力与分析、飞机故障诊断及维修等工作，要求了解材料科学与工程的发展对现代飞行器设计技术的影响，因此要较全面地掌握主要航空材料的性能、制造等方面的知识，了解轻质高强材料的发展动态和发展趋势。飞行器动力工程专业要求学生学习飞行器动力装置或飞行器动力装置控制系统等方面的知识，主要培养能从事飞行器动力装置及其他热动力机械的设计、研究、生产、实验、运行维护和技术管理等方面工作的高级工程技术人才。飞行器动力的重要部件对抗氧化性能和抗热腐蚀性能要求较高，要求材料和结构具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。因此，材料在高温下的行为、性能和分析、选择方法应该是该专业“工程材料学”课程的重点。飞行器制造工程和机械工程等专业要针对现代飞行器工作条件严酷、构造复杂的特点，采用先进制造技术，实现设计要求，并为飞行器维护提供便利。该专业要求学生理解飞行器各部件的选材要求，掌握材料的制造工艺。飞行器零部件形状复杂，所用材料品种繁多，加工方法多样，工艺要求精细。很多新材料首先在航空航天领域得到应用，其制造技术具有新颖性的特征，设计、材料与制造工艺互相融合、相互促进的特点非常明显，这就要求学生在“工程材料学”课程中把材料基础打好，适应工艺和材料不断发展的要求。虽然各专业对“工程材料学”课程的要求有所不同，但课程基础一致。

该课程名称为“工程材料学”，即明确其重点在于将材料科学与技术的成果运用于航空航天工程，把材料基本知识转化为生产力。“工程材料学”是相关专业材料学科的基本课程，学生要通过该课程了解金属材料、无机非金属材料、高分子材料等微观和宏观基础知识，学习材料研究、分析的基本方法，掌握材料结构与性能等基础理论，研究主要材料的制备、加工成型等技术，为更好地学习专业课程创造条件，为将来从事技术开发、工艺和设备设计等打下基础。由此可见，在明确了各专业对该课程的个性化要求的基础上，更要明确共性要求。“工程材料学”课程要培养学生材料方面的科学概念，提升材料方面的科学素质，扎实的材料科学与技术知识基础是学生学习专业课程、提高综合素质、培养创新能力的必备条件，是进一步发展的基础。因此，“工程材料学”课程采用“公共知识+方向知识”的模式比较合适，即把教学内容划分为每个专业均要求了解的材料领域知识和根据各个专业特色需要重点介绍的知识两部分，既满足了宽口径、厚基础的教学需要，又注重了后续专业课程学习和能力培养的要求，促进了基础理论和专业应用的融合渗透，较好地满足了材料、设计、制造、维护一体化发展的需要，增强了跨学科、跨专业认识问题、思考问题和研讨问题的能力。

三、多管齐下建设丰富的教学环境

作为一门学科基础课程，“工程材料学”课程要根据学校人才培养创新目标和相关专业的人才培养标准、方案，结合卓越工程师教育培养的要求，注重与专业课程体系的融合，注重与工程实践教育的结合，注重对学生创新意识、创业能力及综合运用知识能力的培养。在充分调研与分析专业人才培养对课程教学要求的基础上，要对课程的教学大纲和内容进行修订，与相关教学环节有效整合，拓展教学活动的空间，营造良好的学习环境和氛围，加强与后续课程及实践活动的联系，解决学科基础课的教学与专业人才培养需求的脱节或不衔接等问题。

“工程材料学”在第四学期开设，是一门承前启后的课程。在前期开设的课程中，“大学物理”和“航空航天概论”是两门直接相关的课程。“大学物理”提供了学习“工程材料学”的科学基础，认真分析“大学物理”知识点在“工程材料学”中的应用，有助于学生更好地理解相关概念。“航空航天概论”以航空航天领域的发展为主线，介绍飞行器的组成及工作原理。如果在“工程材料学”课程讲授之初让学生重新回到机库，从材料发展的角度再次审视航空航天的进步，结合材料学的概念研究飞行器的组成及工作原理，会使得学生对该课程有比较全面的认识。在相关专业的后续课程中，有好多课程与“工程材料学”密切相关，如“飞行器总体设计”、“发动机原理”、“先进制造技术”等，如果在“工程材料学”中对有关知识点作简单介绍，可以使学生更好地综合分析相关概念，加深理解。在主机类专业培养方案中，“工程训练”是集中式的工程能力培养环节，其教学内容与“工程材料学”密切相关。“工程训练”教学内容以机械制造工艺和方法为主，包括热处理、铸造、锻造、焊接、车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工、钳工、数控加工、特种加工、塑性成型等，每一种制造工艺和方法都与工程材料密切相关。在以前的教学工作中，材料是加工对象，对材料的性能等的介绍很简单，学生的认识较浅。如果在“工程训练”教学过程中，针对不同的加工工艺和方法对材料作较深入的介绍，从应用的角度分析不同材料加工工艺和方法的适应性，可以促进学生把材料理论知识的学习和工程实际联系起来。通过让学生分析研究实际材料在加工过程中的表现来认识材料的性能，通过感性认识来体会材料变化的规律，把深奥的材料科学理论知识和生动形象的加工过程结合起来。这样不仅强化了工程训练效果，还能让学生把材料的知识学活，留下更深刻的影响，更好地发挥学生的潜力。

航空航天主机类专业的课程设计是重要的综合学习环节。课程设计任务一般是完成一项涉及本专业一门或多门主要课程内容的综合性、应用性的设计工作，通过一系列设计图纸、技术方案等文件体现工作成果。很多主机类专业的课程设计涉及材料的选用、处理等方面的问题。按照教学计划，“工程材料学”先行开设。因此，在相关课程设计中，有目的地提出材料问题，引导学生在更广的范围里选材，在更加深入的层面上分析材料性能，可以更好地调动学生自主探究材料科学的积极性，帮助学生把材料知识转化为初步的工作能力，克服课程知识的碎片化倾向。

四、结语

航空航天是现代科学技术的集大成者，该领域发展很大程度上取决于材料科学技术的进步。材料学是航空航天工程技术人员知识结构的重要组成部分。“工程材料学”要按照现代大工程观的要求组织教学，才能实现教学目标，提高培养质量。航空航天领域和材料科学技术发展，极大地丰富了“工程材料学”的教学内容。要根据学科领域的发展需要选择教学内容，按照理论实践结合、突出工程应用的要求构建知识体系。在教学工作中，应根据不同专业的培养要求，深入研究材料学的基本要求和各专业的发展方向，形成“公共知识+方向知识”的“工程材料学”课程结构，提高教学效率。统筹考虑专业教学与其他课程的联系，以及课程设计、工程训练、毕业设计等教学环节，以“工程材料学”课程为中心，注重课程的纵向推进和知识的横向联系，不断加深对材料学的理解和掌握，培养多角度研究分析、跨专业交流合作、多学科解决问题的能力。

参考文献：

[1]朱张校，姚可夫.工程材料[M].北京：清华大学出版社，2011.

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[3]王少刚，郑勇，汪涛.工程材料与成形技术基础[M].国防科技出版社，2016.

[4]闫康平.工程材料[M].化学工业出版社，2008.

[5]于永泗，齐民.机械工程材料[M].大连理工大学出版社，2010.

Discussion on Reform of "Engineering Materials" Course Teaching for Aeronautic Majors

WANG Tao，ZHOU Ke-yin

（College of Material Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，Jiangsu 210016，China）

空间飞行器总体设计范文第4篇

摘 要：再入飞行器横向机动能力分析可以描述为一个具有多约束的最优控制问题，不便于求解。本文将控制量攻角和倾侧角同时离散化，把约束最优控制问题转化为约束参数优化问题；推导攻角的取值范围，缩小搜索空间，降低问题的复杂性；用改进的约束DE算法求解该优化问题。以X-33为例对算法进行仿真验证，仿真结果表明所提算法能够很好的处理约束，且优化结果的鲁棒性较好。

关键词：再入飞行器；机动能力；轨迹优化；差分进化；约束优化

中图分类号： V412.4+4 文献标识码：A

Study on Lateral Maneuver Capacity of Reentry Vehicle Based on DE

CHANG Songtao, WANG Yongji, ZHANG Da, SU Mao

(Key Laboratory of Ministry of Education for Image Processing and Intelligent Control, Department of Control Science

and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract:Lateral maneuver capacity analysis of reentry vehicle can be formulated to a multiconstraints optimal control problem which is difficult to solve. We transform the infinite dimensional optimal control problem to parameter optimization which is finite dimensional by discretize control parameters. In order to simplify the problem, we figure out the control parameter’s scope by process constraints. To handle constraints, we proposed a parameterless constraints handle process incorporated to DE. It is validated by a reentry vehicle X-33, simulation results indicated that the algorithm is effective and robust.

Key words:reentry vehicle;maneuver capacity;trajectory optimization;differential evolution(DE);constraint optimal

1 引 言

评估再入飞行器的机动能力非常重要，是飞行器总体设计和规划的重要组成部分。飞行器的横向机动能力分析可以描述为一个非线性、具有控制约束、状态约束以及终端约束的最优控制问题。最优控制问题基于变分法、庞特里亚金极大值原理或动态规划方法进行求解。由于再入轨迹优化的复杂性，很难求得解析解，通常将其转化为参数优化问题，用数值方法进行求解。求解最优控制问题的数值方法通常可分为两大类：间接法和直接法。

间接法［1, 2］将最优控制问题转化为两点边值问题，再选取合适的数值方法进行求解，满足一阶最优必要条件，求得的解比较精确。由于协态变量没有明确的物理意义，很难估计协态变量的初值，且收敛半径小，很难求解。

直接法将最优控制问题转化为参数优化问题，运用非线性规划方法进行求解。常用的参数转化方法有：配点法和伪谱法。配点法［3］将控制量和状态量离散化，将状态方程转化为代数方程约束加在离散节点上；把性能指标、约束转化为代数方程，这样就把最优控制问题转化为参数优化问题。伪谱法［4］采用正交多项式插值的方法离散状态量和控制量，适合于状态变化平缓的轨迹优化。

由于确定性优化算法容易陷入局部极值点，近年来一些学者用智能优化算法求解了轨迹优化问题［5-7］。差分进化算法(Differential Evolution, DE)是由Stron和Price［8］提出的一种简单、高效的元启发式智能优化算法。DE 算法采用种群进行进化，鲁棒性较好，已经成功地应用于很多工程问题中。本文首先将再入飞行器最大横向机动能力求取(本质上是轨迹优化问题)转化为参数优化问题；利用过程约束条件，求得了控制量攻角的取值范围，缩小了搜索空间，减小了问题的复杂性；对基本 DE 算法进行改进，加入约束处理方法，对轨迹优化问题进行求解。并以 X-33 为例对所提算法进行仿真验证。

2 问题描述

2.1 模型

再入飞行器的三自由度运动方程组为:

r′=vsin γ

θ′=vcos γsin ψ/r/cos φ

φ′=vcos γcos ψ/r

v′=ω2rcos φ(sin γcos φ－

cos γsin φcos ψ)－D－gsin γ

γ′=Lcos σv+vcos γr+2ωcos φsin ψ－

gcos γv+ω2rcos φv(cos γcos φ+

sin γcos ψsin φ)

ψ′=ω2rvcos γsin ψsin φcos φ+

vrcos γsin ψtan φ－

2ωtan γcos ψcos φ－

sin φ+Lsin σvcos γ(1)

g=μr2,ρ=ρ0e－(r－r0)/hs,

L=ρv2S2mCL,D=ρv2S2mCD(2)

计算技术与自动化2011年12月

第30卷第4期常松涛等：基于DE算法的再入飞行器横向机动能力研究

其中 r 是地心到飞行器质心的径向距离；θ、φ是飞行器当前位置所处经、纬度；v 是飞行器相对于当地地球表面的速度；γ是航迹倾角；ψ是航向角，是速度方向在水平面的投影与当地正北方向的夹角；ω是地球自转角速度；m 是飞行器的质量；S是飞行器的参考面积；ρ是大气密度；ρ0是海平面大气密度；r0是地球平均半径；CL、CD分别是升力系数、阻力系数，是攻角α和马赫数 Ma 的函数；g是重力加速度；控制量是攻角α和倾侧角σ。

2.2 约束条件

飞行器再入过程中要满足加热率、动压和过载约束，如式(3)~(5)所示：

=cρvkq≤max (3)

q=12ρv2≤qmax (4)

n=Lcos α+Dsin α≤nmax (5)

其中max 、qmax 、nmax 分别是允许的最大加热率、最大动压和最大过载，c,kq 是与热模型有关的常数。

另外，为了便于控制，飞行器再入段轨迹变化不能太剧烈，要满足准平衡滑翔条件式(6)。

Lcos σ－g+v2r=0(6)

加热率、动压和过载约束是硬约束，必须满足；如果违反可能造成灾难性的后果。准平衡滑翔约束是软约束，可以小幅度违反。

为了顺利完成任务，需要对再入段的终端状态进行限制，由于本文的优化目标为使得飞行器的横程最大，终端经度、纬度和航向角不须限制，终端约束如式(7)所示：

rtf－rf≤Δr,vtf－vf≤Δv,

γtf－γf≤Δγ(7)

其中 tf 是再入结束时刻；rf,vf,γf是理想的再入结束点状态。

2.3 性能指标

优化性能指标函数为J，如式(8)所示：

J=－Ztf (8)

其中Z代表横程。

横向机动能力求取可以描述为满足约束式(3)~(7)，动态过程如式(1)，优化性能指标如式(8)描述的最优控制问题。

3 算法描述

首先，把攻角和倾侧角同时离散化，将最优控制问题转化为参数优化问题；其次，根据过程约束确定攻角的取值范围，降低问题的复杂性；最后，用改进的约束 DE 算法求解该参数优化问题。

3.1 控制量离散化

由式(2)~(4)可以解得：

r≥r0－2hsln max ρ0cvkqrQv

r≥r0－hsln 2qmax ρ0v2rqv(9)

令σ=0，由式(6)可以解得α=αv,r。记y=L－g+v2/r，则

yr=2gr－v2r2－Lhs+LCLCLr,

yα=ρv2S2mCLα

通常升力系数CL随着攻角α的增大而增大，所以yα＞0。CLr很小，可以忽略；2gr相对于Lhs很小，也可以忽略，因此

yr＜0，αv,rr=－y/ry/α＞0，所以

α=αv,r≥αv,max rQv,rqv (10)

设允许的最大攻角、最大倾侧角分别为αmax 、σmax ，最小倾侧角为σmin ，采用等距离散化方法对速度进行离散。设攻角、倾侧角离散点的个数分别为N1、N2，攻角和倾侧角的值如下式插值求得。

vk=vi+kvf－viN1－1,k=0,1,…,N1－1η=ηk－1+ηk－ηk－1vk－vk－1v－vk－1,

v∈［vk,vk－1］αv=η.αmax +1－η.

αv,max rQv,rqv

vk=vi+kvf－viN2－1,k=0,1,…,N2－1ξ=ξk－1+ξk－ξk－1vk－vk－1v－vk－1,

v∈［vk,vk－1］σv=ξ.σmax +1－ξ.σmin

令X=［η0,η1,…,ηN1－1,ξ0,ξ1,…,ξN2－1］∈［0,1］N1+N2确定了向量 X 就完全确定了攻角和倾侧角。这样就可以从再入点数值积分方程组式(1)求得性能指标函数式(8)和约束式(3)~(7)。从而原最优控制问题转化为决策向量为 X 的约束参数优化问题。

3.2 基本DE算法

通常无约束参数优化问题可以描述为最小化某一D维函数f(X), X = ［x1,x2, … ,xD］，xi∈［xl,i,xu,i］。记DE算法第 G 代种群为 PG= {XG,1,XG,2, …, XG,NP}，其中第 i个个体的位置为 XG,i = ［xG,i,1,xG,i,2, …,xG,i,D］,i= 1, 2, … , NP, NP是种群的个体数。

DE算法的步骤：在决策向量空间中按式(11)随机产生初始种群 P0。对种群进行进化操作：对种群中每个个体进行变异和交叉运算，产生子代个体；再运用选择策略决定是子代个体还是父代个体进入下一次迭代过程。重复上述进化过程，直到满足终止条件(迭代次数达到上限或精度达到要求等)。

xG,i,j=xl,j+rand［0,1］×xu,j－xl,j,

i=1,2,…,NP, j=1,2,…,D(11)

其中 rand［0,1］ 是 ［0,1］ 区间上服从均匀分布的随机数。

3.2.1 变异

记VG,i = ［vG,i,1,vG,i,2,…,vG,i,D］ 为第 i 个个体XG,i经过变异后得到的向量，最常用的变异算子为“DE/rand/1”，由式(12)表示：

VG,i=XG,r1+F×XG,r2－XG,r3（12）

其中r1, r2,r3 是在 ［1, NP］ 范围内随机选择的两两互不相等且不等于 i 的下标。F＞0是变异标度因子。

3.2.2 交叉

对变异向量VG,i和目标向量XG,i 执行交叉操作产生子代向量UG,i = ［uG,i,1, uG,i,2, …,uG,i,D］，二项式交叉是常用的交叉算子如式(13)所示：

uG,i,j=vG,i,j, j=jrand or rand［0,1］≤CRxG,i,j, otherwise（13）

其中jrand是在 ［1, D］ 范围内随机选择的下标，保证子代向量至少有一维从变异向量继承；CR ＞ 0是交叉概率。

3.2.3 选择

采用一对一的贪婪选择算子决定子代个体UG,i是否替代父代个体XG,i进入下一代迭代过程。对于最小化问题，选择过程由式(14)描述：

XG+1,i=UG,i,fUG,i≤fXG,iXG,i, otherwise （14）

3.3 约束处理

记种群中每个个体对应的约束向量为CG,i = ［cG,i,1,cG,i,2,…,cG,i,m］,i = 1, 2, … ,NP，m是约束向量的维数。如果违反约束，则对应的约束为正值；如果不违反约束，对应的约束为0。由于约束是一个多维向量，难以比较约束的大小，而罚函数法需要设置各个约束的加权系数，需要一定的经验，不便于应用；此处采用归一化约束向量的方法计算约束的大小，对约束进行评价，不用设置额外的参数。定义CMG,i为第 i 个个体对应的约束大小，来衡量对约束的违反程度。记子代种群为DG = {UG,1, UG,2, … , UG,NP}，第 i 个子代个体对应的约束向量为CDG,i = ［cdG,i,1, cdG,i,2, … , cdG,i,m］，约束大小记为CDMG,i。将当前种群和子代种群约束向量的每一维用种群中该维的最大值归一化，归一化后的约束向量的模就是CMG,i和CDMG,i 。

3.4 轨迹优化算法

变异算子对DE算法的性能影响很大，本文选取如式（15)所描述的变异算子［9］。首先随机初始化种群中各个个体，并计算相应的性能指标和约束向量；其次，运用变异算子式(15)和交叉算子式(13)产生子代个体并计算相应的性能指标和约束向量；用3.3节所述方法计算约束的大小；根据性能指标和约束大小决定子代个体是否替换父代个体进入下一次迭代过程，选择算子如式(16)所示。

VG,i=XG,n1+F×XG,n2－XG,n3（15）

其中r1, r2, r3 是在 ［1, NP］ 范围内随机选择的两两互不相等且不等于 i 的下标。n1是r1, r2, r3中性能最优的那个下标，n2, n3是r1, r2, r3中不同于n1的下标。

算法伪码：

step 1: 设置DE算法的参数NP,F,CR，令G = 0.

for i = 1 to NP

按照式(11)初始化种群P0，并计算每个个体对应的适应值 f (XG,i) 和约束向量 CG,i.

end for

step 2 :

for i = 1 to NP

step 2.1: 按式（15)产生变异向量VG,i ;

step 2.2: 按式(13)产生子代个体UG,i ;

step 2.3:计算子代个体对应的适应值 f (UG,i) 和约束向量 CDG,i .

end for

step 3:用3.3节所述方法计算当前种群和子代种群中每个个体的约束值CMG,i,CDMG,i , i = 1, 2, … , NP

step 4:for i = 1 to NP

由式(16)选择下一代个体 ；

end for

step 5:G = G + 1 ，如果没有达到终止条件，则返回step 2；否则，结束优化过程，输出当前种群中的最优解。

XG+1,i=UG,i, CDMG,i＜CDG,i

or (CDMG,i=CDG,i

and f(UG,i)≤f(XG,i))

XG,i, otherwise （16）

4 仿真验证

以X-33［10］为例对所提算法进行仿真验证。

参数设置：

ri= 6499518 m,θi= －117.01°,

φi= －18.255°,vi= 7622 m/s,

γi= －1.4379°,ψi= 38.329°,

rf= 6408427 m, vf= 908 m/s, γf= －7.5°,

Δr= 2000 m, Δv= 20 m/s, Δγ= 1.0°,

Qmax = 431259 W/m2, qmax = 11970 N/ m2,

nmax = 2.5 g, 5°≤α≤500, ≤5°/s,

σ≤80°, ≤5°/s.

N1 = 5, N2 = 12, NP = 50, F = 0.6, CR = 0.7，最大迭代次数为：300。重复运行轨迹优化算法30次，优化结果如表1和表2所示，弹道如图1－3所示。可以看出所有过程约束和终端约束都满足要求，性能指标也较好，30次优化结果偏差不大，算法的鲁棒性较好。

5 结 论

本文针对求取再入飞行器横向机动能力时同时优化攻角和倾侧角的复杂性，推导了攻角的取值范围，缩小了搜索空间；对基本 DE 算法进行改进，加入了不需要调整权重的约束处理方法，对再入飞行器轨迹优化问题进行求解；以 X-33 飞行器为例，对所提算法进行仿真验证，仿真结果表明算法能够有效地处理约束，能够很好地求解横向机动能力，且鲁棒性较好。

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收稿日期：2011-09-29

空间飞行器总体设计范文第5篇

所谓平行志愿，是这样一种投档录取方式，即在每个录取批次的学校中，考生可平行填报若干个志愿学校，然后按“分数优先，遵循志愿”的原则进行投档录取。其最具实质性的规则调整，就是改变了过去的“志愿优先”原则，重新确立“分数优先”原则。招生录取时，将按考生高考成绩从高到低逐分排列，按序逐个检索和满足考生所填报的系列志愿，录完了高分录低分，第一志愿额满逐次检索第二、第三志愿，如此类推，循序渐进。在实际运作中，由于各省、区、市情况不同，平行志愿具体操作模式也有一些差别，归纳起来大致有完全模式和混合模式两种基本类型。

“完全模式”即每个批次中的每个志愿都是平行志愿。这是最具代表性的操作模式，湖南、江苏、浙江及上海等省市就属于此种模式。

拿上海方案为例，投档以“分数优先”原则分3个批次进行：第一批、第二批本科，各设置A、B、C、D 4个平行志愿院校；第三批专科（高职），设置A、B、C、D、E、F、G、H 8个志愿院校；各批次每所院校均可填报6个专业志愿，这些志愿院校和专业都是平行的，在理论上都有均等的机会和几率被录取。

“混合模式”即部分批次中有平行志愿，但第一志愿不是平行志愿，或者在第三、四志愿中设置一些平行志愿，以增加考生的录取机会。安徽、河南、辽宁和天津等省市，近年来采取的大都是这种模式。

显然，平行志愿投档录取方式更加维护考生利益，大大增加了考生的选择空间和被录取机会，尤其是在很大程度上保护了高分考生，使他们因一分之差而遭遇“滑铁卢”的可能性大大减小。只要自我定位适当、志愿搭配合理，高分考生可以更轻松、更自主地选择自己理想的院校与专业。这使家长及考生们在填报志愿时可以松口气，在一定程度上消除了原来“第一志愿定命运”的博弈情绪。

考生填报平行志愿时仍然要面临3种风险：一是投档退档风险，各批次招生院校在录取时是按各自招生规模分别设置一定的投档比例，只要院校调档比例大于其计划招生数，必然有相应比例数量的考生自然落榜；二是志愿填报风险，若考生在填报时没有客观审视自身实力，填报志愿偏高或没有梯度等，也可能高分落榜；三是专业调剂风险，若考生在各校专业填报上不愿意调剂志愿，这样也将可能面临退档。

今后几年与就业趋势

对于今后几年的专业热度和就业趋势，如何才能分析判断得准确一些？这里介绍一个被大家忽略但非常有价值的资料，即国家编制的五年规划（以前称为五年计划），目前所用的就是“十一五”规划。

通过“十一五”规划，我们可以知道，电子信息制造业、生物产业、航空航天产业、新材料产业是国家确定的要加快发展的高技术产业。

由上可知，与这些国家加快发展的高技术产业相关联的一些专业的“热”，是5年到10年甚至几十年都不会大变的。这是因为，热门专业也有其“热”的规律：一是与市场联系密切的专业会“热”，二是与国际化进程相一致的专业会“热”，三是与信息化相关的高新技术专业会“热”，四是符合国家产业政策发展的专业会“热”。

由于“十一五”规划是我国未来5年发展的总体思路与谋划，所以涉及面非常广，各行各业都可以从中找到“答案”，那么同样与各行各业相关联的许许多多的专业，也是可以从中找到“答案”的。考生及家长在选择专业时，目光要长远一些，不能只看眼前。比如，当年因为某种特殊情况急需某一专业的人才，这样的专业要不要报，应谨慎思考，不能追一阵风赶一趟车。

按照“国家重点领域紧缺人才培养工作意见”选专业，也不失为一种有效途径。教育部、国家发改委、财政部、人事部、科技部、国资委等六部委，曾就今后一段时期加强国家重点领域紧缺人才培养工作提出意见。意见提出，要充分发挥高等学校和企业等多方面的积极性，统筹协调招生、培养、就业、使用等各个环节，深化教学改革，提高培养质量，切实解决国家重点领域的人才紧缺问题。

意见指出，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》和《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的精神，当前要优先支持农业、林业、水利、气象、地质、矿业、石油天然气、核工业、软件、微电子、动漫、现代服务业等重点公益、基础研究和前沿技术领域以及新兴产业的紧缺人才培养。因此，与国家重点领域12类紧缺人才培养相关联的学校及专业，也是广大考生及家长可以首先考虑的。

高考切忌望文生义

好多高校都会在高考前夕到中学做宣传，宣传材料贴满了校园。宣传材料中充满了高科技的名词和专业术语，个个专业都“看上去很美”。但究竟这些专业学的是什么，有多大的发展前景，是不是自己所想像的那一个专业，很多同学难免“云里雾里”。

五花八门的专业，有的可以从专业名称和院系名称做顾名思义的猜测，大概知道专业性质、培养目标和教学内容，而有些专业名称则比较笼统，概念范围又特别大，像安全工程、生物技术、金融工程、信息管理与信息系统等，连老师都不能完全明白其所以然。

一是为提高生源质量，二是国家也要求专业名称规范，于是很多高校在更改专业名称时刻意与“贸易”“信息”“自动化”等联系起来，并纷纷开设相关专业，使名称中带有“国际”“信息”等时髦字眼的专业异常火爆。不少高校拼命新增的专业，大部分是被家长因理解有误“捧”出来的所谓热门专业，比如看到工商管理，就以为是能到工商局工作；看到新闻专业，就以为到电视台就业。现在的热门专业在几年后，很可能会变成冷门。由于目前生源过多，这些学生以后的就业形势不容乐观。

有些专业俗称“新瓶装旧酒”，如“石油勘探”改为“能源工程”。在管理学中，信息管理（或称“信息系统”）专业在很多院校都有开设，有的学校甚至下属的几个院系同时开设。它们中有些名副其实，学的确实是计算机，有的却是将档案学专业移花接木，或是由图书馆学、情报学演变而来，只不过将信息电子化了。

因此建议考生和家长多了解想填报专业的课程设置、培养目标、就业方向等。同一名称可能是不同专业的情况，有一种简单的方法可以判断，就是上这个学校的网站，看该专业设在哪个院系之下，由院系名字就可以大致判断出它到底是什么专业方向了。这样，才能够使自己可以学到真正想学的专业，不至于“受骗”。

受高考扩招的十大专业

现在大学生就业较难，虽然不能全怪罪于大学的扩招，但也和某些专业在培养规模上的过度扩张大有干系。那么，中国大学里还有没有未受或少受扩招影响，而显得物以稀为贵的专业呢？当然有。

1.飞行器设计与工程专业。该专业培养具有较好数学、力学基础知识和飞行器工程基本理论及飞行器总体结构设计与强度分析、试验能力，能从事飞行器（包括航天器与运载端）总体设计、结构设计与研究、结构强度分析与试验，或通用机械设计及制造的高级工程技术人员和研究人员。

2. 保险专业。保险专业主要培养从事保险及相关行业实际工作的应用型人才。学生毕业后能胜任保险业经营及管理工作，以及相关行业的风险管理工作，就业去向主要集中在保险公司、保险中介机构、保险监管机构、银行与证券部门，或其他大中型企业风险管理部门、高等院校及有关咨询服务部门等。

3. 地理信息系统专业。地理信息系统是近20年来新兴的一门集地理学、计算机、遥感技术和地图学于一体的边缘学科。该专业主要培养具备地理信息系统与地图学、遥感技术方面的基本理论、基本知识、基本技能，能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作，能在城市、区域、资源、环境、交通、人口、住房、土地、灾害、基础设施和规划管理等领域的政府部门、金融机构、公司、高校、规划设计院所，从事与地理信息系统有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的高级专门人才。

4. 稀土工程专业。主要培养具备稀土工程等方面的知识，能在稀土材料开发与应用、稀土冶金与分析、稀土采矿及矿物加工等领域从事科学研究、技术开发、管理与经营、工程设计、生产的高级专门人才。

5. 言语听觉科学专业。该专业以培养在特殊学校、康复机构、资源教室、医院的相关科室从事听力、嗓音言语与语言障碍人群的康复、教育及研究工作的专业人士为己任。

6. 知识产权专业。该专业属于法学专业，主要培养既懂得科技基础知识，又通晓法律和知识产权事务的复合型人才。

7. 城市地下空间工程专业。该专业是根据我国城市发展的趋势和当前城市地下工程人才匮乏的实际情况而设立的新专业，主要培养具有坚实的数学、力学等自然科学基础和人文社会科学基础，掌握城市地下工程勘察、规划、材料、结构分析与设计、机械基础及工程机械、电工技术、工程测量、施工组织和工程概预算、工程监理等方面的基本技术和知识，具备从事城市地下空间工程的规划、设计、研究、开发利用、施工和管理能力，具有较强的计算机应用能力和较高的外语水平的高级技术人才。

8. 雷电防护科学与技术专业。主要培养具有电子技术、信息系统和雷电防护的基本理论、知识和技能，具备良好的科学素质，能从事有关电子设备和信息网络系统的研究、设计、开发和应用，防雷技术开发与应用等工作的高级工程技术人才。