基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30471

柔性气动减速技术专栏

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基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计

姜璐璐¹^,²^,³, 潘鑫¹^,²^,³, 蒋伟⁴, 冯瑞⁴, 陈刚¹^,²^,³()

^1.西安交通大学航天航空学院，西安 710049
^2.机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049
^3.陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室，西安 710049 4．北京空间机电研究所，北京 100094

收稿日期:2024-04-02 修回日期:2024-06-06 接受日期:2024-06-27 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-07-22
通讯作者: 陈刚 E-mail:aachengang@xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(92371201);陕西省自然科学基金(2022JC-03)

Optimization shape design of capsule-supersonic parachute system based on fusion surrogate strategy

Lulu JIANG¹^,²^,³, Xin PAN¹^,²^,³, Wei JIANG⁴, Rui FENG⁴, Gang CHEN¹^,²^,³()

^1.School of Aerospace Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China
^2.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures，Xi’an 710049，China
^3.Shannxi Key Laboratory for Environment and Control of Flight Vehicle，Xi’an 710049，China
^4.Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China

Received:2024-04-02 Revised:2024-06-06 Accepted:2024-06-27 Online:2025-01-15 Published:2024-07-22
Contact: Gang CHEN E-mail:aachengang@xjtu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(92371201);Natural Science Foundation of Shaanxi Province(2022JC-03)

摘要/Abstract

摘要：

超声速降落伞作为提供气动阻力和稳定性的重要气动减速系统，其设计好坏直接影响着探测器着陆任务的成败。适应不同气动性能需求的降落伞结构参数通常是相互矛盾的，为了解决火星降落伞在外形设计时的结构参数矛盾，以及设计周期长、计算误差大的问题，本文提出了一种面向探测器-降落伞双体模型的融合代理优化策略。融合代理模型集成了插值型代理模型和回归型代理模型的优点，能够在相同样本的条件下具备更高的气动力系数预测精度。通过采用融合代理模型替代长耗时的计算流体力学（CFD）计算过程，能够缩短设计周期，提高设计效率。结合多目标遗传算法对探测器-盘缝带伞双体模型进行了优化设计，结果表明，采用融合代理优化策略能够平衡伞体的阻力性能及稳定性能，在满足结构及气动约束的前提下提升盘缝带伞的综合减速能力，具有良好的实用性和可行性。文章的研究结果可为未来新一代火星探测用超声速降落伞的设计研制提供一定的理论参考和技术储备。

关键词: 融合策略, 火星降落伞, 优化设计, 代理模型, 超声速

Abstract:

Supersonic parachutes， as crucial aerodynamic deceleration systems providing drag and stability， directly impact the success of lander missions. The structural parameters of parachutes that meet different aerodynamic performance requirements are often contradictory. To address the issues of structural parameter conflicts in the shape design of Mars parachutes， as well as the errors of lengthy design cycles and high calculation， this study proposes a fusion surrogate optimization strategy for the two-body model of the canopy-capsule system. The fusion surrogate model integrates the advantages of interpolation-based and regression-based surrogate models， and achieves higher prediction accuracy of aerodynamic coefficients under the same sample conditions. By employing the fusion surrogate model to replace the time-consuming Computational Fluid Dynamics （CFD） calculation process， the design cycle can be shortened， and design efficiency can be improved. The two-body model of the capsule- DGB parachute is optimized using a multi-objective genetic algorithm. The results show that the fusion surrogate optimization strategy can balance the drag and stability performance of the canopy， and enhance the overall deceleration capability of the disk-gap-band parachute under structural parameters and aerodynamic constraints， demonstrating good practicality and feasibility. The research findings can provide theoretical reference and technical reserves for the design and development of a new generation of supersonic parachutes for future Mars exploration missions.

Key words: fusion strategy, Mars parachute, optimization design, surrogate model, supersonic

中图分类号:

V476.4

姜璐璐, 潘鑫, 蒋伟, 冯瑞, 陈刚. 基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630471.

Lulu JIANG, Xin PAN, Wei JIANG, Rui FENG, Gang CHEN. Optimization shape design of capsule-supersonic parachute system based on fusion surrogate strategy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 630471.

图/表 22

表1

初始模型B结构参数

X/d	d/D	H_B	H_G	H_D	S_B/S_D	$λ g$
2.5	0.311	2.383 7	0.827 4	4.457	0.447	12.095%

表1

图 1

表2

图 2

表3

不同伞带宽度HB的伞体结构参数及气动力系数变化

模型	H_B	H_G	H_D	S₀	$λ g$ /%	S_B/S_D	$C ¯ D$	$σ (C Y)$
B1	3.902 2	0.827 4	4.456 6	404.055	10.213	0.670 4	0.382 4	0.081 83
B	2.601 5	0.827 4	4.456 6	341.178	12.095	0.446 9	0.467 2	0.054 75
B2	1.300 8	0.827 4	4.456 6	278.302	14.828	0.223 5	0.246 2	0.023 86

表3

表4

不同伞盘深度HD的伞体结构参数及气动力系数变化

模型	H_B	H_G	H_D	S₀	$λ g$ /%	S_B/S_D	$C ¯ D$	$σ (C Y)$
D1	2.601 5	0.827 4	6.684 9	448.891	9.193	0.298 0	0.160 5	0.018 47
B	2.601 5	0.827 4	4.456 6	341.178	12.095	0.446 9	0.467 2	0.054 75
D2	2.601 5	0.827 4	2.228 3	233.466	17.675	0.893 9	0.656 2	0.085 51

表4

表5

不同孔隙率λg的伞体结构参数及气动力系数变化

模型	H_B	H_G	H_D	S₀	$λ g$ /%	S_B/S_D	$C ¯ D$	$σ (C Y)$
K1	2.601 5	0.600 0	4.456 6	341.178 4	8.771	0.447 0	0.433 4	0.052 9
K2	2.601 5	0.750 0	4.456 6	341.178 4	10.964	0.447 0	0.443 2	0.029 9
B	2.601 5	0.827 4	4.456 6	341.178 4	12.095	0.447 0	0.467 2	0.054 8
K3	2.601 5	0.950 0	4.456 6	341.178 4	13.887	0.447 0	0.420 5	0.038 8
K4	2.601 5	1.100 0	4.456 6	341.178 4	16.080	0.447 0	0.407 5	0.050 8
K5	2.601 5	1.200 0	4.456 6	341.178 4	17.542	0.447 0	0.432 0	0.050 4
K6	2.601 5	1.300 0	4.456 6	341.178 4	19.004	0.447 0	0.431 3	0.032 3
K7	2.601 5	1.500 0	4.456 6	341.178 4	21.927	0.447 0	0.445 9	0.063 1

表5

表6

不同带盘面积比SB/SD的伞体结构参数及气动力系数变化

模型	H_B	H_G	H_D	S₀	$λ g$ /%	S_B/S_D	$C ¯ D$	$σ (C Y)$
BD1	1.352 8	0.827 4	5.708 9	341.178 4	12.095	0.181 4	0.454 9	0.057 7
BD2	1.717 0	0.827 4	5.341 2	341.178 4	12.095	0.246 1	0.444 7	0.033 0
BD3	2.081 2	0.827 4	4.977 0	341.178 4	12.095	0.320 2	0.422 8	0.055 3
B	2.601 5	0.827 4	4.456 6	341.178 4	12.095	0.446 9	0.467 2	0.054 8
BD4	2.965 7	0.827 4	4.092 5	341.178 4	12.095	0.554 9	0.409 8	0.055 8
BD5	3.329 9	0.827 4	3.728 3	341.178 4	12.095	0.683 9	0.469 5	0.058 5
BD6	3.694 2	0.827 4	3.364 1	341.178 4	12.095	0.840 8	0.422 9	0.046 4
BD7	3.902 3	0.827 4	3.164 2	341.178 4	12.095	0.944 3	0.439 8	0.069 2

表6

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表7

不同优化设计结果的结构及性能参数

模型	H_B	H_G	H_D	S₀	$λ g$ /%	S_B/S_D	$C ¯ D$	A（C_D ）	$σ (C Y)$
Opt₁	2.315 3	0.438 5	4.322 9	320.883	6.816	0.410 1	0.492 2	989.05	0.047 34
Opt₂	1.891 8	1.046 7	5.597 5	362.022	14.419	0.258 8	0.446 5	1183.25	0.025 21
Opt₃	1.430 8	0.604 0	5.749 0	347.063	8.680	0.190 6	0.470 2	1094.53	0.046 86

表7

图 13

图 14

图 15

参考文献 40

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基于融合代理策略的超声速降落伞气动优化设计

Optimization shape design of capsule-supersonic parachute system based on fusion surrogate strategy

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