Автоматизация процесса проектирования космических аппаратов с использованием численных методов

На начальном этапе проектирования КА, как правило, имеется ограниченный набор исходных данных, содержащий в себе требования к проектируемому аппарату. Основной задачей этого этапа является формирование массива составов КА, с целью создания аппарата, который бы выполнял возлагаемые на него функции, укладываясь в ограничения по ресурсам (массе, цене, надежности).

Особенность проектирования КА состоит в том, что существует такое разнообразие объектов, что попытки получить обобщенные зависимости встречают большие трудности из-за многообразия задач и требований.

Особенность проектирования КА заключается также в том, что практически отсутствуют теоретические работы, связанные с выбором параметров и логикой процесса их проектирования на этапе предэскизных разработок. В частности, наиболее важным и сложным является вопрос о выборе основных проектных параметров КА.

Процесс проектирования КА представляет собой многоуровневый итерационный процесс, в течение которого рассчитываются характеристики аппарата и его массовая сводка. Для того чтобы организовать такой процесс, необходимо разработать логику и технологию его.

Первоначально необходимо определить по каким критериям мы будем оценивать удачность выбора конструкции. При проектировании КА – это, как правило, масса, стоимость, надежность. Соответственно первый этап – это качественная, а затем количественная оценка всех учитываемых критериев. При построении функции оценки КА можно пользоваться как экспертными оценками важности критериев, так и статистическими, накопленными за время работы.

Учитывая все многообразие вариантов наборов решений, подходящих для формирования КА с учетом всего множества ограничений по критериям, мы можем получить массив решений, который затем необходимо будет оптимизировать.

После проведений оптимизации необходимо провести обратную связь для уточнения коэффициентов критериев, что обеспечивает при накоплении большого объема статистических данных более точную и быструю работу алгоритма. Наиболее эффективно алгоритм поиска допустимых решений может себя показать при использовании его с полной базой знаний объектов. В этом случае, решения можно будет использовать на дальнейших шагах проектирования.

В процессе проектирования КА возникает необходимость в математической постановке задачи оптимизации его проектных параметров при существовании нескольких критериев, характеризующих многосторонние аспекты его разработки и функционирования.

На этапе оптимизации необходимо провести количественную оценку важности критериев, используемых для ограничения конструкции (масса, стоимость, надежность и др.). Первоначально, без накопленного опыта и статистических данных, можно использовать данные, полученные с помощью математического аппарата и/или с использованием результатов работы экспертов по каждому типу КА. Результатом оценки важности критериев получается система уравнений целевых функций вида:

,

где – значение целевой функции по каждой системе, i – количество систем в составе КА, – коэффициент значимости n-го критерия, - величина n-го критерия. Причем, сумма всех , каждого уравнения должна соответствовать ограничениям, наложенным на величину этого критерия (это условие проверяется на этапе формирования массива решений).

Для каждого варианта КА проводится оценка целевой функции и делается выборка нескольких наиболее удачных решений. Эти решения ранжируются в порядке важности удовлетворения критериям.

Учитывая, что для решения такой сложной задачи используется большое число уравнений, исходных данных и численных значений, входящих в уравнения коэффициентов, необходимо применение ЭВМ.

Автоматизация процесса проектирования позволяет ускорить процедуру поиска оптимального или допустимого (в случае невозможности определения оптимального) решения. Кроме того, использование алгоритма оптимизации, основываясь на единую базу данных, в комплексе с инструментами конструирования позволяет ускорить процесс проектирования КА в целом.