張旺軍 申振榮 李群智 吉龍

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

月球巡視器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究

張旺軍 申振榮 李群智 吉龍

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

通過月球巡視器的任務(wù)分析，指出了巡視器設(shè)計(jì)中遇到的難題。針對(duì)這些難題，在系統(tǒng)工程方法的基礎(chǔ)上，借鑒多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的思想，提出了月球巡視器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。該方法基于月球巡視器的約束條件，在系統(tǒng)層和產(chǎn)品層兩個(gè)層面開展設(shè)計(jì)優(yōu)化，每層分成三個(gè)階段。系統(tǒng)層強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)方案的最優(yōu)，產(chǎn)品層強(qiáng)調(diào)單機(jī)或部組件設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品方案最優(yōu)。嫦娥三號(hào)巡視器通過該方法的應(yīng)用，使其在滿足多項(xiàng)約束的前提下各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，也驗(yàn)證了該方法的正確性和合理性。此方法對(duì)功能復(fù)雜、約束嚴(yán)格的航天器具有一定的參考價(jià)值。

月球巡視器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法；功能集成設(shè)計(jì)；功能復(fù)用設(shè)計(jì)

1 引言

月球巡視器是能在月球表面進(jìn)行移動(dòng)探測(cè)的空間探測(cè)器，主要完成在月面移動(dòng)、通信和科學(xué)探測(cè)任務(wù)，并具有熱控保障、能源提供、14天月夜生存、局部路徑規(guī)劃、月面環(huán)境感知和自主導(dǎo)航與遙操作控制的能力。為了完成這些任務(wù)，月球巡視器功能復(fù)雜，國內(nèi)無相關(guān)的航天器可以借鑒。月球巡視器不僅要適應(yīng)復(fù)雜的月面環(huán)境，還要滿足質(zhì)量特性、包絡(luò)尺寸和功耗三個(gè)方面的約束，它的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。

針對(duì)這種復(fù)雜系統(tǒng)的航天器設(shè)計(jì)問題，國內(nèi)外通常采用系統(tǒng)工程方法，美國的勇氣號(hào)/機(jī)遇號(hào)、好奇心號(hào)火星巡視器都是系統(tǒng)工程方法應(yīng)用的典范[1-3]。系統(tǒng)工程方法從任務(wù)需求出發(fā)，綜合多種專業(yè)技術(shù)，通過分析-綜合-試驗(yàn)的反復(fù)迭代，使得航天器滿足任務(wù)需求[4]。近年來，系統(tǒng)工程方法也逐步引入到我國航天器的研制中，但是針對(duì)月球巡視器“小而復(fù)雜”的多約束特點(diǎn)，目前國內(nèi)的系統(tǒng)工程方法還無法提供全面的解決手段[5]。

針對(duì)多約束的航天器設(shè)計(jì)問題，國內(nèi)外提出并深入研究的有多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并開展了大量的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用[6-8]。在國外，完成了某通信衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性兩個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]、某導(dǎo)彈預(yù)警的天基紅外星座的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]、某低軌地球觀測(cè)微小衛(wèi)星的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)等[11-12]。在國內(nèi)，開展了遙感衛(wèi)星、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和月球探測(cè)器總體參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[13-14]。但是，目前在航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化具有以下不足：所建立的學(xué)科分析模型多數(shù)基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式或工程估算，計(jì)算精度偏低，優(yōu)化結(jié)果可信度差；多學(xué)科優(yōu)化模型多數(shù)僅考慮幾個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合或?yàn)樽酉到y(tǒng)級(jí)的多學(xué)科問題，不能全面反映衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的整體性和層次性；多數(shù)集中于航天器的概念設(shè)計(jì)，缺少與全生命周期設(shè)計(jì)的融合。這種方法對(duì)于要達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)明確、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則清晰、優(yōu)化參數(shù)量化還有一定差距，還無法完全解決復(fù)雜航天器的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

因此，需要找到一種適合月球巡視器功能復(fù)雜、約束嚴(yán)格特點(diǎn)的方法，使得巡視器在滿足各種約束條件下設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。本文結(jié)合月球巡視器自身的特點(diǎn)，在系統(tǒng)工程方法的基礎(chǔ)上，借鑒多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的思想，提出了月球巡視器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，在嫦娥三號(hào)巡視器上的應(yīng)用，證明了該方法的正確性和合理性。

2 月球巡視器任務(wù)分析

月球巡視器任務(wù)相對(duì)以往地球軌道航天器有很大不同，主要表現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的難點(diǎn)。

1)嚴(yán)酷的月面工作環(huán)境

月球的溫度、光照等環(huán)境與一般地球軌道航天器不同。月壤和月塵等特殊環(huán)境在國內(nèi)也是首次出現(xiàn)，盡管有大量的研究，但是還有很大的不確定性[15-17]，在設(shè)計(jì)時(shí)需要采取有效的措施。

月球表面光照條件變化大，晝夜溫差大，月面溫度變化范圍從-180～+120 ℃。對(duì)于月晝，面臨著高溫下的熱排散問題，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)14天的月夜，則面臨著無太陽能可利用條件下，如何保證能源供給和溫度環(huán)境適應(yīng)的問題。

月球巡視器工作的月面覆蓋著厚度不等的月壤層，并存在著大小不等的月坑和巖石。月壤物理力學(xué)特性和月表地形都與巡視器移動(dòng)性能直接相關(guān)，如何選擇移動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)形參數(shù)，降低移動(dòng)裝置的承載比，也是巡視器設(shè)計(jì)必須解決的難題。

2)巡視器自身功能的復(fù)雜性

巡視器要完成月面移動(dòng)、通信和科學(xué)探測(cè)等任務(wù)，并具備獨(dú)立的月面生存能力，尤其是要適應(yīng)漫長(zhǎng)的月夜低溫環(huán)境，這些要求使得月球巡視器的功能和組成十分復(fù)雜[18]。為此，巡視器需要配備能活動(dòng)的桅桿，輔助光學(xué)敏感器進(jìn)行月面環(huán)境感知；配備能活動(dòng)的定向天線，輔助完成指向地球并下傳數(shù)據(jù)；配備能收攏壓緊的太陽翼，適應(yīng)發(fā)射和月面工作的需求，太陽翼還應(yīng)具備喚醒巡視器、對(duì)日定向和遮擋陽光的需求。此外，還需要配備相應(yīng)的電子設(shè)備完成局部路徑規(guī)劃等自主導(dǎo)航功能。

3)質(zhì)量特性、包絡(luò)尺寸和功耗的約束

月球巡視器不僅功能復(fù)雜，還在質(zhì)量特性、包絡(luò)尺寸和功耗等方面受到嚴(yán)格的約束，如何減輕整器質(zhì)量，進(jìn)行輕小型化、一體化和集成化設(shè)計(jì)是必須解決的難題。

(1)質(zhì)量特性。一方面，整器質(zhì)量受到移動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)移釋放機(jī)構(gòu)的承載限制和發(fā)射質(zhì)量的限制，另一方面，月球巡視器橫向質(zhì)心受到移動(dòng)性能的嚴(yán)格約束。

(2)包絡(luò)尺寸。一方面，巡視器布局空間??；另一方面，巡視器發(fā)射時(shí)收攏壓緊在著陸器上，著陸月面后，展開駛離著陸器，巡視器的包絡(luò)尺寸受到著陸器的嚴(yán)格限制。

(3)功耗。整器的功耗受到太陽翼面積和蓄電池組容量的嚴(yán)格限制。

綜上所述，為了解決這些設(shè)計(jì)難題，設(shè)計(jì)中需要采用一種方法，能綜合統(tǒng)籌總體到分系統(tǒng)、整器到單機(jī)、整體到局部的各個(gè)方面，使得巡視器在滿足各項(xiàng)約束條件下的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

3 月球巡視器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

月球巡視器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，是為了實(shí)現(xiàn)整器設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)化而采取的一套設(shè)計(jì)方法。該方法自頂而下，分階段、分領(lǐng)域?qū)嵤?。在系統(tǒng)層面，梳理整器各個(gè)組成部分的功能和性能需求，并進(jìn)行規(guī)劃，確保整個(gè)系統(tǒng)層方案的最優(yōu)，同時(shí)提出了產(chǎn)品層的優(yōu)化目標(biāo)；產(chǎn)品層在此基礎(chǔ)上，開展二次規(guī)劃，分析影響性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保產(chǎn)品層設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)。

3.1系統(tǒng)層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化

系統(tǒng)層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化，是基于巡視器系統(tǒng)及其組成部分的功能、性能和布局位置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能的組合和空間關(guān)系的調(diào)整，以確保系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)最優(yōu)的設(shè)計(jì)流程。這是一種積極主動(dòng)的調(diào)優(yōu)模式，采用自頂向下的設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 月球巡視器系統(tǒng)層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

1)規(guī)劃階段

方案篩選要選擇國內(nèi)外具備可比性、參考性的航天器系統(tǒng)進(jìn)行深度分析，借鑒它的分析方法、規(guī)劃方法、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)理念，方案篩選還要結(jié)合國內(nèi)的生產(chǎn)水平。方案篩選對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有導(dǎo)向的作用，因此系統(tǒng)方案的篩選應(yīng)遵循專家團(tuán)隊(duì)的意見，選擇切實(shí)可行的系統(tǒng)進(jìn)行分析。其中可比性和參考性較強(qiáng)的有勇氣號(hào)/機(jī)遇號(hào)火星巡視器和蘇聯(lián)的Luna-1/2月球巡視器[19]。

概念規(guī)劃根據(jù)系統(tǒng)功能分類和篩選方案對(duì)系統(tǒng)的組成進(jìn)行規(guī)劃，明確概念性設(shè)計(jì)意圖，這是設(shè)計(jì)的草案。

2)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段

在明確巡視器系統(tǒng)的接口、復(fù)雜度、相互關(guān)系及設(shè)計(jì)流程后，結(jié)合國內(nèi)軟硬件可實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的可用性、可靠性、接口關(guān)系進(jìn)行深入的論證和規(guī)劃，由于系統(tǒng)方案對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要，需要引入相關(guān)專業(yè)的專家團(tuán)隊(duì)，確保系統(tǒng)方案的合理性，為整個(gè)系統(tǒng)的正確性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。巡視器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要在方案階段完成，包括活動(dòng)部件構(gòu)型的設(shè)計(jì)、整器構(gòu)型方案的設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理方案設(shè)計(jì)等。

在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展全面的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)全部的功能和性能關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行全面的分析。過程中，在系統(tǒng)約束的框架下，通過各種分析和優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

在設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)以功能需求為輸入，對(duì)巡視器全生命周期中所有工作剖面下的各種工作模式進(jìn)行推演，系統(tǒng)推演的結(jié)果對(duì)需求分析、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的修正產(chǎn)生重要指導(dǎo)。

品詩品人，走近“詩圣”—杜甫詩歌鑒賞專題的教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生們自尋伙伴，自愿結(jié)為6組，課前對(duì)詩歌內(nèi)容進(jìn)行初步研討。小組內(nèi)合作查找資料，解決學(xué)習(xí)中的問題，把不能解決的問題記錄下來，留在課堂上通過師生研討得以解決。在這個(gè)過程中，學(xué)生的感悟和體會(huì)是任何一位教師的講授都無法替代的，少一些名詞術(shù)語的糾纏，多一些對(duì)一詞一句的把握和品味，多一些與文本對(duì)話，與作者對(duì)話，這才是對(duì)語文本質(zhì)的回歸。

在規(guī)劃階段和設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)了使用同位素核源發(fā)電提供能源過月夜的方案，但是考慮到國內(nèi)核電轉(zhuǎn)換的成熟性，取消了核源發(fā)電的功能，僅保留了核源提供熱能的功能。

3)設(shè)計(jì)確認(rèn)階段

在系統(tǒng)推演完成并確保系統(tǒng)方案正確后，方可開始系統(tǒng)的全面詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造。試驗(yàn)和測(cè)試是系統(tǒng)質(zhì)量的基本保障，并對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的不斷完善和最優(yōu)化。

通過結(jié)合專業(yè)經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)團(tuán)隊(duì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的方案的正確性、可行性、可靠性等核心指標(biāo)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，從而全面地對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)評(píng)審過程中發(fā)現(xiàn)的問題，專家團(tuán)隊(duì)可以給出專業(yè)的修正指導(dǎo)意見，有助于進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)修正，從而提高系統(tǒng)的質(zhì)量。

3.2產(chǎn)品層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化

產(chǎn)品層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化是在巡視器系統(tǒng)方案確定的情況下，識(shí)別影響主結(jié)構(gòu)、總裝直屬件、設(shè)備、電纜等專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)和狀態(tài)，并采用相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，確保優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程。

這是在頂層明確優(yōu)化目標(biāo)后而采取的一種優(yōu)化模式，是產(chǎn)品層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，如圖2所示。這些優(yōu)化集中在專業(yè)領(lǐng)域，因?yàn)橄到y(tǒng)方案成型，可調(diào)整的空間有限，專業(yè)領(lǐng)域的調(diào)整相對(duì)而言空間較大，對(duì)某一專業(yè)領(lǐng)域的調(diào)整優(yōu)化，通常能在一定程度上改善系統(tǒng)的能力。

圖2 月球巡視器產(chǎn)品層規(guī)劃和設(shè)計(jì)優(yōu)化流程圖

1)規(guī)劃階段

在進(jìn)入具體的產(chǎn)品層優(yōu)化階段后，首要的任務(wù)是獲得頂層需求。根據(jù)頂層的需求，分解出本層設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)，辨識(shí)出影響設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)和狀態(tài)，所識(shí)別的要素即是開展優(yōu)化設(shè)計(jì)最直接的方向和領(lǐng)域。很多時(shí)候，在頂層需求不明確的情況下完成的某些設(shè)計(jì)，往往不能滿足更新后的頂層需求，此時(shí)還需按照上述的流程開展設(shè)計(jì)的修改或者重新設(shè)計(jì)。

2)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段

在關(guān)鍵特性滿足要求的前提下，根據(jù)識(shí)別出的影響優(yōu)化目標(biāo)的領(lǐng)域開展方案篩選；在均衡性能需求、功能組成、軟硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上選擇可接受、可實(shí)施的方案。方案篩選后，就進(jìn)入產(chǎn)品層設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心階段，進(jìn)一步細(xì)化方案的每個(gè)環(huán)節(jié)、步驟和方法，確保方案的可實(shí)施性。這個(gè)階段主要集中在初樣設(shè)計(jì)前期，包括結(jié)構(gòu)(含次結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)等。

在優(yōu)化方案確定后，需要對(duì)方案的效果進(jìn)行分析和評(píng)估，評(píng)估的方法通常采用比對(duì)法。比對(duì)優(yōu)化方案和常規(guī)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，明確優(yōu)化方案的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)需要制定細(xì)致周全、量化的控制措施，確保風(fēng)險(xiǎn)可控并能接受。

3)設(shè)計(jì)確認(rèn)階段

在設(shè)計(jì)確認(rèn)階段，主要是對(duì)前期的優(yōu)化方法、過程、實(shí)施結(jié)果進(jìn)行總結(jié)、規(guī)范和固化，并編制文件歸檔保存，從而進(jìn)一步推動(dòng)整器方案日趨堅(jiān)實(shí)。

3.3月球巡視器設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)優(yōu)化手段

針對(duì)月球巡視器的特點(diǎn)，在系統(tǒng)層設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，主要采用功能集成、功能復(fù)用和布局優(yōu)化的手段。在產(chǎn)品層設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，主要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電纜優(yōu)化和單機(jī)優(yōu)化的手段完成了巡視器整個(gè)設(shè)計(jì)周期的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，各種手段與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)目標(biāo)關(guān)系示意圖

1)功能集成

功能集成是對(duì)功能相近的單機(jī)或部組件進(jìn)行組合的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法摒棄了每項(xiàng)功能的硬件由一臺(tái)單機(jī)實(shí)現(xiàn)的常規(guī)設(shè)備設(shè)計(jì)理念，將多項(xiàng)功能的硬件集成到一個(gè)機(jī)箱中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕小型化，縮小產(chǎn)品包絡(luò)，減小產(chǎn)品質(zhì)量和功耗，減少產(chǎn)品與外圍的接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的“高內(nèi)聚，低耦合”。

2)功能復(fù)用

功能復(fù)用是對(duì)功能相似的單機(jī)或部組件進(jìn)行組合的一種設(shè)計(jì)方法。該方法不是簡(jiǎn)單的組合，而是從系統(tǒng)的角度綜合分析各個(gè)功能的設(shè)計(jì)要求和要素，通過對(duì)成熟技術(shù)修改或擴(kuò)充，在滿足任務(wù)要求的前提下對(duì)系統(tǒng)的功能重新整合。

3)布局優(yōu)化

布局優(yōu)化是將一組給定的設(shè)備或部組件合理地布置在特定的位置上，使設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，并滿足給定的約束條件。

4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料的手段，不僅降低了主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，而且提高了整器的構(gòu)形布局空間。

5)單機(jī)優(yōu)化

各單機(jī)根據(jù)總體給出的設(shè)備優(yōu)化目標(biāo)采用了材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、形狀優(yōu)化、高集成度器件優(yōu)選等多種形式的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

6)電纜優(yōu)化

在電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，采用了數(shù)字化的電纜三維走向設(shè)計(jì)、優(yōu)選電纜線徑/線型、優(yōu)選輕質(zhì)高密度電連接器、減少過渡插頭數(shù)量等多種手段，完成了電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

4 方法驗(yàn)證

該套方法針對(duì)月球巡視器的任務(wù)特點(diǎn)提出，融入到月球巡視器頂層和底層設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，取得了顯著的效果。下文以功能集成、功能復(fù)用和構(gòu)形布局優(yōu)化在嫦娥三號(hào)巡視器上的應(yīng)用，來驗(yàn)證該方法的適用性和正確性。

4.1功能集成

嫦娥三號(hào)巡視器上比較典型的集成設(shè)計(jì)有綜合電子單元、有效載荷電控箱和慣性測(cè)量單元，如圖4所示。綜合電子單元集成效果見表1所示，從表中可見，集成設(shè)計(jì)后，體積、質(zhì)量和功耗分別降低了59%、53.4%和49.7%。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，集成帶來的效率會(huì)優(yōu)于表中的效果。

圖4 電子學(xué)設(shè)備集成設(shè)計(jì)示意圖

表1 綜合電子單元集成前后關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

4.2功能復(fù)用

嫦娥三號(hào)巡視器桅桿主要用于輔助安裝其上的兩對(duì)立體相機(jī)的成像工作，需要具備三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，而定向天線為了實(shí)現(xiàn)頻繁地指向地球并下傳數(shù)據(jù)，也需要具備雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)能力。如果設(shè)計(jì)兩套機(jī)構(gòu)，不僅增加了機(jī)構(gòu)的重量，還給布局帶來較大困難。為此，綜合分析了桅桿和定向天線的設(shè)計(jì)要素，見表2。對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行綜合，通過選擇合適的機(jī)構(gòu)電機(jī)，使得桅桿和天線組合體滿足定向天線的指向要求，對(duì)于因運(yùn)動(dòng)范圍變小損失的指向空間，在程序設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮，合理規(guī)避。

表2 桅桿與定向天線設(shè)計(jì)要素對(duì)比

功能復(fù)用后，定向天線與兩對(duì)相機(jī)共用一套展開機(jī)構(gòu)和偏航機(jī)構(gòu)，定向天線設(shè)計(jì)成桅桿的一部分，如圖5所示，桅桿的復(fù)用設(shè)計(jì)不僅節(jié)省質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)輕巧化，還減少了接口的復(fù)雜度，節(jié)約了成本且便于控制。復(fù)用前后的效果對(duì)比見表3，從表中可以看出優(yōu)化后，質(zhì)量和功耗分別降低了27.9%和19.4%。

圖5 桅桿與定向天線的功能復(fù)用設(shè)計(jì)示意圖

表3 桅桿復(fù)用設(shè)計(jì)前后關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

4.3布局優(yōu)化

由于嫦娥三號(hào)巡視器頂板下表面集中了器上大部分的設(shè)備，因此，重點(diǎn)開展了頂板下表面的設(shè)備布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

巡視器艙內(nèi)空間小，設(shè)備的容積率高達(dá)56%，布局設(shè)計(jì)中，采用了分階段開展的策略。首先考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋的冷凝器和儲(chǔ)液器，確定結(jié)構(gòu)板的禁布區(qū)域；抓住整器質(zhì)心限制的最主要矛盾，優(yōu)先布置質(zhì)量大的設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮電纜通道、電纜插拔操作、總裝便利性、熱控適應(yīng)性等方面要求，確定設(shè)備的最優(yōu)位置，同時(shí)對(duì)設(shè)備的電連接器位置提出反要求。優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 艙內(nèi)布局優(yōu)化示意圖

從圖6中可以看出設(shè)備的布局更加合理，質(zhì)量較大設(shè)備被優(yōu)化到后部，同時(shí)設(shè)備整體向右方平移，留出了電纜通道。優(yōu)化前后整器橫向質(zhì)心見表4，可見整器橫向質(zhì)心與目標(biāo)值吻合較好。

表4 布局優(yōu)化前后整器橫向質(zhì)心位置對(duì)比

4.4嫦娥三號(hào)巡視器主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果比較

通過月球探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用，嫦娥三號(hào)巡視器主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化效果見表5，從表中可以看出，整器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均滿足指標(biāo)要求。

表5 嫦娥三號(hào)巡視器系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化效果

綜上所述，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出了質(zhì)量和質(zhì)心較優(yōu)、載荷比和承載比較高的方案，解決了多活動(dòng)部件在狹小空間下的布局，通過合理布局提高了艙內(nèi)容積率，突破了電子設(shè)備集成、輕小型化機(jī)構(gòu)、月夜生存及休眠喚醒技術(shù)，最終巡視器功能全部實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)約束全部滿足，且各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

嫦娥三號(hào)巡視器成為我國首個(gè)地外天體移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)，在月球表面開展了微波、紅外、可見光、X射線等多譜段的科學(xué)探測(cè)。和同類巡視器相比，嫦娥三號(hào)巡視器在移動(dòng)承載比上優(yōu)于大小相當(dāng)?shù)挠職馓?hào)/機(jī)遇號(hào)火星巡視器，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 嫦娥三號(hào)巡視器和同類巡視器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)束語

通過對(duì)月球巡視器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究，確立了該方法的應(yīng)用過程、設(shè)計(jì)內(nèi)容，總結(jié)了常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段。該方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一體化，綜合考慮了月面環(huán)境和月球巡視器的約束等難點(diǎn)，適用于功能集成度高、約束嚴(yán)格的月球巡視器的設(shè)計(jì)，不僅減少了設(shè)計(jì)迭代、提高了設(shè)計(jì)效率，而且順應(yīng)了月球巡視器輕小型化、低功耗和輕質(zhì)量的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了月球巡視器研制的“快，好，省”。通過嫦娥三號(hào)巡視器的應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的適用性和正確性。

這種方法以系統(tǒng)工程方法為基礎(chǔ)，吸收了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，形成了針對(duì)月球巡視器設(shè)計(jì)的一套體系，在嫦娥三號(hào)巡視器上應(yīng)用效果良好，這對(duì)于其他類型的巡視器有一定的借鑒意義，對(duì)其他類型的深空探測(cè)器或者其他領(lǐng)域的航天器也有一定的參考價(jià)值。

References)

[1]J K Erickson, R Manning, M Adler. Mars exploration rover: launch, cruise, entry, descent, and landing，IAC-04-Q.3.a.03[R]. Pasadena: NASA, 2008

[2]J K Erickson, M Adler ,J Crisp,et al. Mars exploration rover:surface operation[C]//53rdInternational Astronautical Congress. Houston: The World Space Congress, 2002

[3]Ravi Prakash, P Dan Burkhart, Allen Chen, et al. Mars science laboratory entry, descent, and landing system overview，IEEEAC Paper 1531[R]. Pasadena: NASA, 2008

[4]郭寶柱. “系統(tǒng)工程”辨析[J]. 航天器工程, 2013, 22(4): 1-4

Guo Baozhu. What is system engineering[J]. Spacecraft Engineering，2013，22(4):1-4 (in Chinese)

[5]余后滿，郝文宇，袁俊剛, 等. 航天器系統(tǒng)工程技術(shù)發(fā)展思路[J].航天器工程, 2009, 18(1): 1-7

Yu Houman，Hao Wenyu，Yuan Jungang，et al. Development schemes of spacecraft system engineering techniques[J]. Spacecraft Engineering，2009，18(1): 1-7 (in Chinese)

[6]陳余軍, 周志成, 曲廣吉. 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 航天器工程, 2013, 22(3)：16-24

Chen Yujun, Zhou Zhicheng, Qu Guangji. Application of multidisciplinary design optimization in satellite design[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(3)：16-24 (in Chinese)

[7]趙伶豐，王海龍，白光明, 等. 航天器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)綜述[J]. 航天器工程，2007, 16(5)：104-109

Zhao Lingfeng, Wang Hailong, Bai Guangming, et al. Overview of multidisciplinary design optimization of spacecraft[J]. Spacecraft Engineering, 2007, 16(5): 104-109 (in Chinese)

[8]趙勇，陳小前，王振國. 航天器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化研究綜述[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2006,27(z1): 227-232

ZhaoYong，Chen Xiaoqian，Wang Zhenguo. Development in multidisciplinary design optimization of the spacecraft[J]. Journal of Astranautics, 2006, 27(z1): 227-232 (in Chinese)

[9]Hassan R A，Crossley W A.Multiobjective optimization of communication satellites with two branch tournament genetic algorithm[J].Journal of Spacecraft and Rockets，2003，40(2)：266-272

[10]Budianto I A, Oldsn J R.Design and deployment of asatellite constellation using collaborative optimization[J]. Journal of Spacecraft and Rockets，2004，41(6)：956-963

[11]Ravanbakhsh A, Mortazavi M, Roshanian J. Multidisciplinary design optimization approach to conceptual design of LEO earth observation mmicrosatellite [C]// SpaceOps 2008 Conference.Washington D.C.：AIAA，2008: 1-10

[12]Magnin M J，Thunnissen D P，Kui A S. Multiobjective optimization under uncertainty of satellite systems via simulated annealing[C]//12th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference. Washington D.C.：AIAA，2008: 342-351

[13]李明.遙感衛(wèi)星總體參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].北京：中國空間技術(shù)研究院，1996

Li Ming.Study on the method of satellite system parameters analysis and optimization[D].Beijing：China Academy of Space Technology, 1996 (in Chinese)

[14]譚春林，龐寶君，張凌燕, 等.對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星總體參數(shù)多學(xué)科優(yōu)化[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(5)：529-532

Tan Chunlin，Pang Baojun.Zhang Lingyan，et al.Multidisciplinary optimization in earth observation satellite main parameters[J]. Journal of Beijing University of Aeronauties and Astronautics，2008，34(5)：529-532 (in Chinese)

[15]Gromov V. Physical and mechanical properties of lunar soil and simulations[J]. Earth Moon and Planets，1999，80: 51-72

[16]Heiken G. Petrology of lunar soils[J]. Reviews of Geophysics and Space Physics, 1975,13(4): 567-587

[17]Heiken G H, Vaniman D T, Frend B M. Lunar Source-A user’s guide to the moon[M]. Cambridge:Cambridge University Press, 1991

[18]褚桂柏，張熇.月球探測(cè)器技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2007

Chu Guibai，Zhang He.Lunar exploration probe technology[M].Beijing：China Science and Technology Press，2007 (in Chinese)

[19]А Л 杰姆爾德日安, В В 格羅莫夫, Н Ф 卡茹卡羅, 等.星球車[M].馬菊紅, 譯.北京：中國宇航出版社，2011：363

Alexander Kemurdjian，V V Gromov，I F Kazhukalo， et al.Planet rovers[M].Ma Juhong， translated. Beijing：China Astronautics Press，2011: 363 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Study on System Design and Optimization Method of Lunar Rover

ZHANG Wangjun SHEN Zhenrong LI Qunzhi JI Long

(Beijing Instituete of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Lunar rover’s mission analysis is carried out and some obstacles in the design are identified. Lunar rover’s system design and optimization method is proposed based on system engineering method and multidiscipline design and optimization method is referenced. The method is based on lunar rover’s constraints; design and optimization is performed in two layers, system layer and product layer, and each layer is divided into three stages. The system layer focuses on system plan and its optimization, and the product layer focuses on equipment and assembly plan and their optimization. The application of the method on the Chang’e-3 lunar rover design makes all specifications optimized in compliance with the many constraints. And the validity and rationality of the method is verified. The method can benifit to those spacecraft with complex functions and strict constraints.

lunar rover; system design and optimization; function-integration design; function-reuse design

2014-03-31；

：2014-05-04

國家重大科技專項(xiàng)工程

張旺軍，男，工程師，從事航天器總體設(shè)計(jì)和總裝設(shè)計(jì)工作。Email：zhaa4561@sina.com。

V411

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.002