航天器舱布局问题的研究现状分析

航天器是由有效载荷、结构、热控制、姿态与轨道控制、电源、跟踪遥测与遥控、数据管理等具有不同功能的分系统组成的，而分系统又由各自的仪器、设备和部件组成；组件形式多样、数量繁多；设备（部件）与设备（部件）之间、分系统与分系统之间存在着各种不同的机、电、液、气接口；所以，航天器是一个相当复杂的系统[431]。航天器舱布局方案设计问题是研究如何充分利用航天器舱有限的空间，布置尽可能多的组件和仪器，并满足其内部和周围环境的各种约束要求的问题，这是一个多学科交叉课题。它需要航天器、机械、计算机、数学、力学等各学科知识的综合运用，属于带性能约束的三维布局优化问题。其实质是以复杂布局问题为对象，研究新的具有大型、高维、动态的复杂工程系统方案设计的建模、求解方法和自动化设计的理论方法，这就决定了航天器舱布局求解的困难性和复杂性。国内外许多学者对此进行了研究，但至今仍然没有成熟的理论和理想的方法来处理。航天器舱布局问题在理论和工程实践上都有十分重要的意义和价值。

航天器设计中所涉及的布局问题表现形式多样，如气动布局、热力布局、结构布局等，航天器舱布局设计问题是在航天器总体结构基本确定的情况下，将卫星舱内、外装载的大量仪器、设备布置在卫星舱内、外有限的空间，并满足其内部和周围环境的各种约束要求，且尽量对客户提出的布局方案性能指标进行优化。这是一类以质量分布特性为设计目标的航天器仪器、设备的布局问题，属于航天器总体方案设计问题的一个子问题。本章中均假定布局空间和各待布物几何尺寸给定不变，各待布物布置位置和方向为布局设计变量；空间约束条件主要表现为待布物之间、待布物和布局容器之间的不干涉条件和最小间隙要求，性能约束条件和优化目标由于卫星类型的不同有质心位置、主惯性夹角误差、转动惯量等要求。在理论本质上本书研究的航天器舱布局问题与上述航天器气动布局、热力布局、结构等布局问题有所区别：一是本书所研究的空间布局问题的设计变量为航天器舱内外仪器设备的空间布置位置和方向，而气动布局、零部件结构布局、载荷布局等问题所处理的对象多为结构尺寸参数或形状参数；二是本书布局设计过程中待布物之间或待布物相对于航天器主结构的位置拓扑关系会发生变化，本质上不同于其他航天器舱布局问题中研究的几何优化和结构参数优化等问题。对于研究的复杂航天器舱布局问题，由于其问题描述和建模困难，目前多对原问题进行适当的简化后采用数值优化算法或对原问题采用人工经验+仿真验证方法解决，距离形成系统的理论方法进而理论指导实践达到工程实用化尚有一定的差距。下面简要介绍一些常见的航天器舱布局设计问题及其求解方法。

1991年，Ferebee等[432]研究了一类考虑整星惯性主轴方向和设备间电磁兼容性的对地观测设备在航天器舱内的布局问题，建立了该问题的非线性优化数学模型，采用优化软件包ADS（Automated Design Aynthesis）求解了该问题。1998年，Boissonnat和Lange等[433]研究了一类卫星外壁上天线和其他观测装置的布局设计问题，他们用网状圆锥面表示各观测设备的视场，要求在各设备视场互不干扰并满足连接约束的前提下尽量紧凑布局。他们按照一定次序依次布置各设备，通过不断计算可行布局区域，将布局设计问题转化为一类几何优化问题。1999年和2000年，Taura[434]、Linden[435]分别针对卫星功能组件几何布局和天线布局问题，提出了基于演化算法的布局设计方法，其基本思想是逐步改进功能组件的结构、性状和布置方案，以更好适应工作环境要求。

1991年，Tanner等[436]采用可视化人机交互和约束推理的方法研究了美国自由号空间站的仪器架设备布局问题。该方法通过约束推理机制得到各设备可行的安放位置，采用模拟退火算法产生多个候选解供设计者评价和编辑，但其实现细节不详。2001年，Kamran等[437]以ZS3-SAT卫星为应用背景，提出卫星总体布局设计的FARAGAM算法。该算法以功能子系统划分和人工给出的完整参考布局为基础，依次迭代布置各卫星组件，其实质是利用组态设计和人机交互技术处理复杂布局问题，依靠人工经验划分子系统、设置权重、选择布局子方案，是一种比较实用的求解途径，但难以实现较高程度的自动化。(www.xing528.com)

滕弘飞等研究了一类带性能约束的航天器仪器、设备布局设计问题，并提出或采用了多种求解方法和策略，如启发式算法、演化计算（如遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、免疫算法和差异演化等）、图论方法，以及人机结合、布局空间分解协调、多学科优化、协同设计等。2005年，殷国富等[439]以上述航天器舱布局问题为背景，研究了复杂结构产品的布局设计问题，并提出了一种解空间编码遗传算法用于此类问题的求解。2004年，Clemson大学著名学者Fadel[68]研究了一类与本章航天器舱布局设计相类似的带性能约束的配置设计（Configuration design）问题，其实质是小卫星舱内组件的布局设计。最后，Fadel等在GAlib软件包的基础上，开发了一种基于“多子集”群体而非“多个体”群体的Pareto遗传算法，用于此布局问题的求解。Fadel等的研究成果代表了复杂布局设计问题研究的当前国际水平，所研究的问题规模较小（只有10余个待布物），但是它们的目标函数和约束条件的耦合关系比较复杂，还是很难求解的。

综上所述，国内外学者对航天器舱布局的不同领域问题的研究取得了一些研究成果，但研究内容各有侧重，因此往往难以直接用于其他类型航天器舱布局问题的求解。据作者所知，本章所研究的一类航天器舱布局问题尚不多见，其本质上属一类带性能约束的复杂布局问题，具有三重求解难度，因此需要探索更好的求解方法或策略，并研究开发具有一定工程实用化程度的布局优化软件系统。