2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Multi-Objective Optimization Methodology Considering Trajectory Feasibility under Uncertainties
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17K14877
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
藤川 貴弘 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 助教 (40781795)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | システム最適化 / スペースプレーン / 多目的最適化 / 軌道最適化 / 信頼性評価法 / 不確かさ / 再使用型宇宙輸送システム / 複合領域最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度には，前年度までの研究成果を統合し，設計解析および打ち上げ運用に関する不確かさの影響下で飛行軌道が成立する確率を評価しつつスペースプレーンの多目的最適化を実施するための手法を開発した．そして，サブオービタルスペースプレーンの設計問題へ適用し，その有効性を検証した．
設計解析の不確かさは，機体乾燥質量，空力特性，エンジン性能において考慮するものとし，複数の数値解析および実験の結果比較や，航空宇宙重工メーカーからの情報提供をもとに，独立な正規分布として不確かさの定量化を行った．運用の不確かさとしては，射場付近の風速場を対象とし，気象庁が公表している過去の風観測データの主成分分析を行うことで，各高度における風速・風向の確率的モデルを，高度間で相関を持つ確率分布として作成した．
上記の通りモデル化した不確かさの影響下で，所望のミッションを達成するための飛行軌道が成立する確率を信頼性評価法により算出（2017年度の成果）しつつ，進化計算と非線形計画法が2重ループ構造となったハイブリッド型の最適化手法（2018年度の成果）を用いて，機体設計と軌道設計の統合的な多目的最適化を行うフレームワークを構築した．本最適設計手法により，軌道成立確率の定量的評価に基づく必要十分な性能余裕を各設計フェーズで考慮しつつ，スペースプレーンのシステム設計を行うことが可能になる．
構築した手法を単段式無人サブオービタルスペースプレーンに適用し，全備質量の最小化と目標高度へ到達し帰還する軌道の成立確率の最大化を目的関数とした多目的設計最適化を実施した．ワークステーションによる並列計算環境のもと，機体質量と不確かさの影響下でのミッション軌道成立確率の間のトレードオフ特性を反映した多様なパレート最適解集合が5日程度で得られ，最適設計手法の有効性と計算効率の高さを確認することができた．
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