[发明专利]一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法

说明书

本发明公开了一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法。该方法包括：设置水基推进系统规模相关的自变量参数；根据电解原理，分配氢气瓶和氧气瓶体积；由水基推进系统参数获得与传统化学推进系统相同载荷重量及速度增量下，水基推进系统所需要携带的推进剂(水)的质量及机动间隔时间；以水基推进系统节省的系统重量和机动间隔时间为目标，利用多目标寻优方法求解出水基推进系统的气瓶体积和电解池功率的最优解集；根据任务需求从最优解集选取合适的参数，计算出该规模下可提供的性能。本发明通过多目标寻优方法实现了水基推进系统最优效能设计，解决了水基推进系统效能与资源相互制约的难题。

技术领域

本发明涉及航天器化学推进系统技术，尤其涉及一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，适用于水基推进系统的设计。

背景技术

水基推进系统通过质子交换膜电解池将去离子水电解成氢氧气体，供给到发动机，产生推力。该系统具有绿色环保，综合比冲高、易预包装等优点。

目前，水基推进系统要应用于卫星平台，必须在工程应用的层面开展在基于水基推进技术的轨服务平台的方案设计。然而，水基推进系统配置与具体空间任务需求之间存在相互制约关系：

1)水贮箱规模和质量由平台在轨全寿命期间所需的总冲量决定；

2)氢氧气瓶规模和质量由平台一个点火周期内的最大任务量决定；

3)电解池规模由一个点火周期的最大任务量决定；

因此，针对任务需求，必须综合考虑推进系统对平台空间、重量、功率等各类资源占用情况和可实现的推进能力，合理进行水基推进系统的效能比设计，寻求水基推进系统的最优配置，以实现利益的最大化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，实现了不同平台背景下的水基推进系统的最优效能设计，可有效提高推进系统的载重比，充分利用水基推进系统的性能优势。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，包括如下步骤：

(1)设置与水基推进系统规模相关的自变量参数：气瓶总体积V_g，电解池功率P_s，计算获得气瓶重量m_wg，电解池重量m_s；

(2)根据电解原理，分配水基推进系统的氢气瓶的体积为V_o，氧气瓶的体积为V_h，然后由氢气瓶和氧气瓶的工作压力、体积参数，计算出氢气的质量m_h，氧气的质量m_o；

(3)根据传统化学推进系统的卫星起飞重量m_t0、推进剂装填量m_t1和发动机比冲I_t，计算出传统化学推进系统可提供的最大速度增量dv_t；

(4)基于水基推进系统的发动机比冲、电解池规模、气瓶参数，计算出与传统化学推进系统相同载荷重量及速度增量下的水基推进系统所需要携带的推进剂的质量m_w1；

(5)根据水基推进系统的氢气和氧气质量、电解池规模及电解速率，计算出机动间隔时间t；

(6)设置水基推进系统节省的系统重量y₁＝f(V_g,P_s)，机动间隔时间y₂＝t＝g(V_g,P_s)为目标，利用多目标寻优方法求解出水基推进系统的气瓶体积V_g和电解池功率P_s的最优解集；f()、g()均为与气瓶总体积V_g及电解池功率P_s相关的函数；