面向陨落与生存能力的航天器设计优化

为应对空间碎片问题所引入的减缓措施中，包含使退役卫星离轨。再入物体的指南要求地面人员伤亡风险不高于 0.0001。为满足此要求，可通过设计陨落（design-for-demise）理念设计卫星。然而，设计为陨落的航天器仍须在充满碎片的空间环境中生存多年。卫星的陨落性与生存能力均可受一组共同设计选择的影响，如材料选择、几何定义及部件位置。在此背景下，已开发两个模型以分析卫星的陨落与生存能力。鉴于陨落性与生存能力的竞争性质，开发了多目标优化框架，旨在为卫星初步设计识别权衡解。由于该问题非线性且涉及连续与离散变量组合，基于经典导数的方法不适用，转而选用遗传算法。该遗传算法将所开发的陨落与生存能力准则作为多目标算法的适应度函数。本文给出一个测试用例，考虑以材料、几何、位置和储罐数量对代表性地球观测任务进行初步优化。航天器外部结构构型固定。选择储罐因其对两项设计要求均敏感：它们在陨落过程中为关键部件，且撞击损伤可因泄漏与破裂导致任务损失。结果给出了可能的权衡解，构成由多目标优化获得的帕累托前沿。