超低轨卫星减阻多目标伴随优化设计OA

针对超低轨卫星在稀薄大气环境下的气动外形优化设计需求,发展了气体动理学伴随优化方法,开展了卫星主体三维外形的多目标伴随优化研究。优化对象为与“GOCE”和“SLATS”尺寸相当、运行于海拔150~300 km高度的迷你型卫星主体。优化中采用CST参数化方法描述旋成体外形母线,以减小气动阻力和增大体积为优化目标,并考虑卫星长度、最大直径及长细比等多重几何约束。卫星稀薄气体绕流采用BGK模型方程结合漫反射边界条件描述,并构建相应的伴随方程以实现设计敏感度的高效计算,最终通过梯度下降算法获得Pareto前沿上的优化外形集。优化结果显示:所发展的伴随优化方法可在约10步内收敛(约20次动理学方程求解),单个Pareto点求解耗时约42 min;优化外形随体积增大主要呈现“水滴”形和钝前后缘柱体两类特征,其间存在独特的外形过渡区,由膝点法决策最终解;相比同体积、同约束圆柱体,优化外形减阻效果约11.0%~22.6%;150 km和300 km高度下的最优外形差异较小。该研究为超低轨卫星气动外形设计提供了有益参考,验证了伴随优化在稀薄流设计问题中的高效性、有效性与应用潜力。