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。
1.一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于，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Vg，电解池功率Ps，计算获得气瓶重量mwg，电解池重量ms；
(2)根据电解原理，分配水基推进系统的氢气瓶的体积为Vo，氧气瓶的体积为Vh，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mh，氧气的质量mo；
(3)根据传统化学推进系统的卫星起飞重量mt0、推进剂装填量mt1和发动机比冲It，计算出传统化学推进系统可提供的最大速度增量dvt；
(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mw1；
(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(Vg,Ps)，机动间隔时间y2＝t＝g(Vg,Ps)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Vg和电解池功率Ps的最优解集；
f()、g()均为与气瓶总体积Vg及电解池功率Ps相关的函数；
(7)按照气瓶体积Vg和电解池功率Ps的最优解集，选取最优的水基推进系统规模参数，计算出该规模下可提供的单次速度增量Δv。
2.根据权利要求1所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，气瓶重量 其中，Pg为气瓶的设计压力；电解池重量p为输入功率密度。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，气瓶体积分配满足：
4.根据权利要求3所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，氧气和氢气的重量计算公式为：式中，P1为气瓶的最高工作压力，P2为气瓶的最低工作压力，R为气体常数，T为气体温度，Mo、Mh分别为氧气和氢气的平均摩尔质量。
5.根据权利要求4所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，传统化学推进系统速度增量dvt的计算公式为：式中，It为传统化学推进系统发动机比冲。
6.根据权利要求5所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，水基推进系统所需要携带的推进剂的质量mw1的计算公式为：式中，Iw为水基推进系统发动机比冲，mtg为传统化学推进系统的气瓶重量。
7.根据权利要求6所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(5)中，水基推进系统机动间隔时间t的计算公式为：式中，Pw为供水压力，η为电解池的氢气产气速率。
8.根据权利要求7所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(6)中，水基推进系统节省的系统重量y1的计算公式为：y1＝f(Vg,Ps)＝‑mw1‑ms‑mwg+mt1+mtg；
9.根据权利要求8所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，最优解需满足：mr≤f(Vf,Pf),g(Vf,Pf)≤tr式中，Vf为最优的气瓶体积，Pf为最优的电解池功率；mr、tr分别为水基推进系统节省重量的目标下限及机动间隔时间的目标上限。
10.根据权利要求9所述的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，其特征在于：所述步骤(7)中，水基推进系统单次可提供的速度增量Δv的计算公式如下：式中，
在最优的气瓶体积Vf和电解池功率Pf的情况下，水基推进系统节省的重量为Δm，机动间隔时间为Δt。
一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] 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；
[0005] 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；
[0006] 3)电解池规模由一个点火周期的最大任务量决定；
[0007] 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
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] (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Vg，电解池功率Ps，计算获得气瓶重量mwg，电解池重量ms；
[0011] (2)根据电解原理，分配水基推进系统的氢气瓶的体积为Vo，氧气瓶的体积为Vh，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mh，氧气的质量mo；
[0012] (3)根据传统化学推进系统的卫星起飞重量mt0、推进剂装填量mt1和发动机比冲It，计算出传统化学推进系统可提供的最大速度增量dvt；
[0013] (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mw1；
[0014] (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；
[0015] (6)设置水基推进系统节省的系统重量y1＝f(Vg,Ps)，机动间隔时间y2＝t＝g(Vg,Ps)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Vg和电解池功率Ps的最优
解集；f()、g()均为与气瓶总体积Vg及电解池功率Ps相关的函数；
[0016] (7)按照气瓶体积Vg和电解池功率Ps的最优解集，选取最优的水基推进系统规模参数，计算出该规模下可提供的单次速度增量Δv。
[0017] 所述步骤(1)中，气瓶重量 其中，Pg为气瓶的设计压力；电解池重量p为输入功率密度。
[0018] 所述步骤(2)中，气瓶体积分配满足：
[0019] 所述步骤(2)中，氧气和氢气的重量计算公式为：
[0020]
[0021] 式中，P1为气瓶的最高工作压力，P2为气瓶的最低工作压力，R为气体常数，T为气体温度，Mo、Mh分别为氧气和氦气的平均摩尔质量。
[0022] 所述步骤(3)中，传统化学推进系统速度增量dvt的计算公式为：
[0023]
[0024] 式中，It为传统化学推进系统发动机比冲。
[0025] 所述步骤(4)中，水基推进系统所需要携带的推进剂的质量mw1的计算公式为：
[0026]
[0027] 式中，Iw为水基推进系统发动机比冲，mtg为传统化学推进系统的气瓶重量。
[0028] 所述步骤(5)中，水基推进系统机动间隔时间t的计算公式为：
[0029]
[0030] 式中，Pw为供水压力，η为电解池的氢气产气速率。
[0031] 所述步骤(6)中，水基推进系统节省的系统重量y1的计算公式为：
[0032] y1＝f(Vg,Ps)＝‑mw1‑ms‑mwg+mt1+mtg；
[0033] 气瓶体积Vg和电解池功率Ps满足以下约束条件：
[0034] 0L≤Vg≤2000L，0KW≤Ps≤8KW。
[0035] 所述步骤(7)中，最优解需满足：
[0036] mr≤f(Vf,Pf),g(Vf,Pf)≤tr
[0037] 式中，Vf为最优的气瓶体积，Pf为最优的电解池功率；mr、tr分别为水基推进系统节省重量的目标下限及机动间隔时间的目标上限。
[0038] 所述步骤(7)中，水基推进系统单次可提供的速度增量Δv的计算公式如下：
[0039]
[0040] 式中，
[0041] 在最优的气瓶体积Vf和电解池功率Pf的情况下，水基推进系统节省的重量为Δm，机动间隔时间为Δt。
[0042] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0043] 本发明提出的基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法，针对水基推进系统效能与资源相互制约的难题，通过多目标多参数寻优方法，获取不同平台背景下的系
统规模参数与效能间的关系，实现水基推进系统优化设计；
[0044] 本发明的方法简单有效，通用性强，可有效实现不同平台背景下的水基推进最优配置，最大可能的提高推进系统的载重比；
[0045] 本发明的方法操作易行，能够充分利用水基推进系统的优势，提升化学推进能力，具有可观的经济效益以及应用前景。
附图说明
[0046] 图1是本发明实施例中的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法的流程图。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
[0048] 图1是本发明实施例中的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方法的流程图，参考图1，本实施例提供的一种基于多目标寻优的水基推进系统最优效能确定方
法具体包括如下步骤：
[0049] (1)设置水基推进系统规模相关的自变量参数：气瓶总体积为Vg，电解池功率为Ps，由此可求出相应的气瓶重量mwg，电解池重量ms。其中，
[0050] 气瓶重量为： (Pg为气瓶的设计压力)
[0051] 电解池重量为： (p为输入功率密度)
[0052] (2)根据电解原理，分配水基推进系统的氢气瓶的体积为 氧气瓶的体积为 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mh，氧气的质
量mo，即
[0053]
[0054] 式中，P1为气瓶的最高工作压力，P2为气瓶的最低工作压力，R为气体常数，T为气体温度，Mo、Mh分别为氧气和氦气的平均摩尔质量。
[0055] (3)根据传统化学推进系统的卫星起飞重量mt0、推进剂装填量mt1和发动机比冲It，计算出传统化学推进系统可提供的最大速度增量dvt：
[0056]
[0057] (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，水基推进系统所需要携带的推进剂(水)的质量mw1。
mw1具体的计算方法为：
[0058]
[0059] 式中，Iw为水基推进系统发动机比冲，mtg为传统化学推进系统的气瓶重量。
[0060] (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。机动间隔时间t具体的计算方法为：
[0061]
[0062] 式中，Pw为供水压力，η为电解池的氢气产气速率。
[0063] (6)设置水基推进系统节省的系统重量：y1＝f(Vg,Ps)＝‑mw1‑ms‑mwg+mt1+mtg，机动间隔时间：y2＝t＝g(Vg,Ps)为目标，f()、g()均为与气瓶总体积Vg及电解池功率Ps相关的函
数；气瓶体积Vg和电解池功率Ps满足以下约束条件：
[0064] 0L≤Vg≤2000L，0KW≤Ps≤8KW；
[0065] 结合多变量多目标寻优算法NSGA‑II算法，求解出水基推进系统的气瓶体积Vg和电解池功率Ps的最优解集。
[0066] (7)按照最优解集，根据任务需求(水基推进系统最小节省重量mr、机动最长间隔时间tr)，选取最优的水基推进系统规模参数：选取的最优气瓶体积Vf和最优电解池功率Pf
需满足：
[0067] mr≤Δm＝f(Vf,Pf),Δt＝g(Vf,Pf)≤tr
[0068] 那么，可以得到水基推进系统的主要性能如下：
[0069] 水基推进系统节省的重量为Δm，机动间隔时间为Δt；单次可提供的速度增量为Δv：
[0070] 其中，
[0071] 式中，
[0072] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、
重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行
了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还
可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
