基于多岛遗传算法的小型有效载荷分离装置质量优化设计

赵山杉，张 雯，李 晶，钟杰华

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

基于多岛遗传算法的小型有效载荷分离装置质量优化设计

赵山杉，张 雯，李 晶，钟杰华

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

以小卫星为代表的小型有效载荷具有功能密度高，新技术吸纳快的特点，对分离姿态偏转、分离冲击、分离参数偏差等提出更高的要求，使得传统分离装置设计方法有一定局限性，容易导致分离装置结构质量偏大。本文建立了基于多岛遗传算法的分离装置质量优化数学模型，优化结果表明，在满足分离约束条件下，该方法能够有效减轻分离装置结构质量，同经验计算值相比，质量减轻约30%，节省了材料，降低了成本，具有实用价值和推广意义。

小型有效载荷；分离装置；优化设计；多岛遗传算法

0 引 言

随着空间技术的快速发展，有效载荷的功能变得越来越复杂，质量、体积也在逐步增加，不仅造价越来越昂贵，同时承担的风险也愈来愈大。这迫使人们将目光转移至以小卫星为代表的高功能密度的小型有效载荷上来。

现代小型有效载荷具有质量轻、体积小、新技术吸纳快、功能密度高、发射方式灵活的技术特点，决定了其分离技术具有一定特殊性。如何精确地完成小型有效载荷和发射平台的分离，已经成为航空航天领域中亟待解决的重要问题之一[1,2]。对于高功能密度的小型有效载荷，传统分离装置设计一般依靠经验进行设计、仿真或试验，很难达到系统性能的最优，容易导致结构质量冗余。

分离装置质量优化问题在本质上属于约束优化问题，其解空间随着设计变量总数和目标总数的增加呈指数增加，这类优化问题会有大量的局部极值点，具有不可微、不连续、有约束条件和高度非线性的特性。一般需要应用相应的优化算法。目前优化算法主要包括传统优化算法和智能优化算法两类。相比智能优化算法，多数传统优化算法都是从搜索空间的单点出发，通过某些转换规则确定下一点[3～8]，这种点到点的搜索方法在多峰值优化问题中，容易陷入局部最优解。近年来，以遗传算法为代表的智能优化算法在这类优化问题中得到重视，它能实现全局寻优并能克服传统优化方法的局限性。

多岛遗传算法是在传统遗传算法基础上发展而来的，在许多领域得以成功应用，被证明具有极强的全局寻优能力。将多岛遗传算法应用于非线性、带约束优化问题中，可以克服传统优化方法（如均匀化方法、变密度法、ICM法等）过程中灵敏度计算复杂、易陷入局部最优解等问题。本文运用多岛遗传算法，在多约束条件下对小型有效载荷分离装置质量进行优化，与经验设计值相比，质量指标大幅提升。

1 压簧分离装置

压缩螺旋弹簧是目前小型有效载荷常用的分离装置，具有结构简单、安装方便、分离可靠性高等特点，其作用力与作用行程非常适合小型有效载荷的分离。但由于不可能制造出理想的、性能和参数完全一致的弹簧钢丝，所以螺旋弹簧力的方向通常与其几何轴线并不严格相符。为了提高弹射分离的精确性，在弹簧外面罩上一组套筒，利用弹射分离推杆（又称压簧弹射器）减小弹簧侧向分力以及相对于其轴线的力矩对分离的影响。压簧分离装置结构见图1。

小型有效载荷分离通常采用4点对称布置方式安装压簧分离装置。压簧分离装置的核心零件是压缩弹簧，其材料选用不锈钢丝0Cr17Ni12Mo2，它具有耐腐蚀、耐高低温的优点。切变模量G=79 GPa，端部结构形式采用RY I型两端圈压紧并磨平。

考虑解锁同步误差及不失稳要求，弹簧弹射行程越长，则解锁时间同步误差所带来的姿态误差越小，但弹簧失稳导致的力学特性变化越大。分离弹簧弹性系数如下：

式中K为弹簧刚度；D为弹簧中径；G为弹簧丝材料的切变模量；n为弹簧有效圈数；d为弹簧丝直径。

2 多岛遗传算法

多岛遗传算法（Multi-Island Genetic Algorithm，MIGA）是在传统遗传算法基础上发展而来的，它将整个进化群体划分为若干子群，这些子群称为岛屿。在每个岛屿上对子群体独立的进行传统遗传算法的选择（Crossover）、交叉（Selection）、变异（Mutation）等遗传操作。选择机制上采用轮盘赌选择法，在选择中最佳个体并不是从所有个体中选取，而是从随机选择的个体组成的一个小的子集中选取，这样允许子种群中个体复制，子集的大小是根据相对轮盘大小计算得到。同时采用精英保留策略，保证了将父代中的最佳个体复制到子代中。多岛遗传算法定期随机选择一些个体进行迁移操作，将其转移到别的岛屿上，通过这种方式，可以维持群体的多样性，尽可能避免局部最优解，从而抑制了早熟现象。

考虑到多岛遗传算法的上述特点及优越性，本文基于多岛遗传算法对分离装置质量进行了优化，所用多岛遗传算法优化参数如表1所示。

表1 多岛遗传算法的优化参数

3 分离装置质量优化设计

质量是衡量分离系统方案的一个重要指标。在满足性能指标的情况下，质量的减少意味着承载更多的有效载荷，这对于质量较小的小型有效载荷来说尤为重要。质量优化又称为保证性能指标前提下的最小质量设计，建立分离系统质量模型进行质量估算，并在此基础上进行质量优化。

小型有效载荷分离装置的关键部件是压簧弹射器，它也是整个分离系统中质量最大的部分，在满足分离要求的前提下，其质量越小越好。压簧弹射器的相关尺寸根据压缩螺旋弹簧确定，比如由弹簧作用行程计算推杆长度，由弹簧外径推算护罩大小等，本文以等节距等直径的压缩螺旋弹簧参数作为设计变量。

3.1 设计变量选取

设计压缩螺旋弹簧时，除选择材料及规定热处理要求外，主要是根据最大工作载荷Fp、工作行程L以及结构要求等，确定弹簧的中径D、簧丝直径d、工作圈数n、弹簧的自由高度H0等。因此，为了便于iSIGHT与ADAMS平台的计算与分析，选取弹簧刚度K、工作行程L、最大工作载荷Fp作为设计变量，其余参数可根据设计手册和结构要求得到，即

各设计变量变化范围如表2所示。

表2 最小质量优化的设计变量

3.2 质量目标函数

3.3 约束条件

a）最大分离速度：（1.0±0.2） m/s；

b）最大姿态角速度不大于5 (°)/s；

c）满足压簧设计的相关约束条件，比如稳定性、旋绕比等。

3.4 优化结果

利用iSIGHT与ADAMS集成平台，对分离装置质量进行了优化设计计算。

优化平台运行流程见图2。

目标函数sm的优化结果如图3、图4所示，分别表示所有设计情况、优化收敛情况。可以看出随着进化代数的增加，质量先是有所增大，然后逐渐向着质量最小化的方向进化，最终收敛于90 g。

分离装置设计优化结果与经验值比较如表3所示。

表3 分离装置设计优化结果与经验值比较

对于优化设计的结果，判断稳定性和旋绕比：高径比b=H0/D=3.615<3.7，因此采用一端固定一端回转的安装方式即可避免失稳现象，满足稳定条件。旋绕比C=D/d=11，满足4≤C≤16。因而优化设计结果是合理的。经过优化设计，单个压簧弹射器质量下降到93.5 g左右，经验值约降低了30%。

4 结 论

本文建立了基于多岛遗传算法的分离装置质量优化数学模型，对压簧分离装置优化设计，充分发挥了压簧的承载能力，减轻了分离弹簧及相应推杆、护罩和盖板的质量，节省了材料，降低了成本。优化结果表明，建立的分离装置质量优化数学模型是合理可行的，具有实用价值和推广意义。

[1] 谢长雄, 徐月同, 傅建中, 吴昌聚, 陈子辰. 皮卫星星箭分离机构运动系统设计[J]. 宇航学报, 2014, 35(6): 626-632

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Mass Optimization Design of Separation Devices for Pint-size Load Based on Multi-Island Genetic Algorithm

Zhao Shan-shan, Zhang Wen, Li Jing, Zhong Jie-hua
(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The pint-size loads, such as small satellite, have property of high function density and fast new technology application. However, when applied in pint-size loads, traditional separation technology has such problems like huge separation impact, low reliability, large weight, etc. Traditional design and analysis methods of separation devices are also not fully suitable for pint-size loads. In this paper, model of separation devices mass optimization is established based on multi-island genetic algorithm. The operation results indicate that the mass of separation mechanism is decreased by 30.7%, which shows that the multi-island fully optimizes the performance of separation devices. The proposed optimization approach obtains a better application.

Pint-size Load; Separation Device; Optimization Design; Multi-Island Genetic Algorithm

V421

A

1004-7182(2017)02-0016-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170204

2016-03-03；

2016-10-08

赵山杉（1981-），男，高级工程师，主要研究方向为分离系统设计与结构总体设计