随着空天领域的快速发展,对飞行器的稳健性和可靠性要求日益提高。飞行器设计通常涉及多个学科、多维变量和复杂费时的数学模型,且各学科模型中常存在多种不确定性传播影响,如何实现稳健、可靠的系统性能最优是当前迫切需要解决的问题。不确定性设计优化(Uncertainty-Based Desgin Optimization,UBDO)方法研究不确定性影响下复杂系统的优化设计问题,对于提高飞行器设计水平具有重要意义。本文对UBDO面临的不确定性降维、不确定性传播、极限情况分析、不确定性优化等主要难点进行研究,形成了一套较为系统的UBDO方法,并以星箭分离机构设计、对地观测卫星总体设计、月球探测纳星总体设计为例,从部件级和总体级两个层面对UBDO的应用展开研究。1.在UBDO理论研究方面:(1)针对UBDO计算维度瓶颈问题,提出了面向随机不确定性和认知不确定性的广义活跃子空间(Generalized Active Subspaces,GAS)概念及相应降维方法,解决了区间表示的认知不确定性降维难题,对线性和非线性问题均可应用。考虑到GAS难以精确求解,给出了区间特征值分析、经验分布函数与泰勒展开三种近似实现方法,并通过测试算例验证了它们的适用性。(2)围绕复杂系统不确定性传播问题,给出了基于GAS降维-传播模型的混合不确定性分析,将多维输入化为单个或少数活跃变量近似的区间分析,以提高混合不确定性统一传播分析的精度和效率。提出了一套降维空间自适应响应面的构建方法,给出了一种基于活跃变量的区间响应面模型(AIRSM)及其构造方法,较好地避免了区间扩张问题、提高了边界拟合精度,同时定义了一种扩展的区间动态关联分析准则,实现了对AIRSM拟合精度的评价。(3)针对多维极限情况分析难题,提出了改进的降维贝叶斯推理方法,推导了基于后验分布表示的相应输入参数分布引起的输出响应,通过活跃子空间降维,使其只需在先验的活跃子空间进行传递,相比以往基于后验分布的降维方法,该方法具有更大的效率优势,计算复杂度大大降低。(4)为提升不确定性优化效果,在现有密度匹配优化基础上,研究了基于目标分布信息的匹配设计优化方法,推导了基于目标低阶矩信息、累积分布函数的两种密度匹配优化表达式,很好地拓展了该方法适用范围,对于混合不确定性情况、离散型与连续型目标情况均可应用。给出了基于GAS降维求解的一般流程,保证了高积分点数与高样本数要求,同时探讨了基于约束强度的动态罚函数及多目标优化算法来获得可靠的最优解,具有较好的计算效率与优化效果。2.在UBDO应用研究方面:(1)面向星箭分离机构设计需求,开展了UBDO方法部件级的应用研究。分析了小卫星星箭分离不确定性量化的必要性,建立了分离过程动力学模型与运动方程,综合考虑压簧装置、引力摄动、星体偏心等影响。结合工程实际,着重探讨了结构与力学不确定性因素的影响规律,发现分离角速度与最小相对距离均可降维分析。通过目标分布函数拟合,评估了不同控制能力卫星分离过程的故障率与可靠性,并结合地面模拟分离试验进行了验证。开展了基于UBDO的星箭分离机构优化设计,优化结果表明本文UBDO方法充分挖掘了分离机构设计潜力,在保证高可靠性的同时质量减轻约30.7%,体现出较好的应用效果。(2)面向对地观测卫星总体设计需求,开展了UBDO方法总体级的应用研究。建立了对地观测卫星概念设计阶段的总体设计学科模型,对该类卫星总体设计涉及的设计变量与系统参数不确定性进行了描述。应用本文UBDO方法,发现原23维不确定问题可以在一维活跃子空间高效传播,并具有较好的分析精度。分别从单目标与多目标两个层面进行不确定性优化:首先面向最小卫星质量进行了随机不确定性密度匹配优化;其次开展了包含卫星质量、成本和观测精度的不确定性多目标优化,分析了优化目标之间的相关性;最后进一步考虑混合不确定性影响的卫星总体设计,获得了满足实际可信性约束的最优方案。(3)面向月球探测纳星总体设计需求,开展了UBDO方法总体级的应用研究。建立了月球探测纳星概念设计阶段的总体设计学科模型,结合月球探测任务的特殊性,对多学科间的耦合关系进行了梳理。探讨了该12维不确定性问题存在的活跃子空间及其降维传播分析的精度。基于本文UBDO方法,以单位信息量成本和卫星质量为优化目标,其他可靠性与载荷精度指标作为约束,实现了随机与混合不确定性多目标优化,获得了更为可靠、稳健的Pareto最优解,通过多目标权衡与平行坐标分析,可以给设计者提供很好的优化方案参考。总之,本文针对UBDO理论的关键科学问题进行了深入的研究,形成了一套较为系统、普适的UBDO方法,较好地克服了现有UBDO计算成本高昂、分析精度受限、工程实现困难等瓶颈问题,并从部件级与总体级两个层面探讨了其在飞行器设计中的应用。取得的研究成果具有较好的理论与现实意义,为UBDO理论发展及其推广应用奠定了良好的基础。