随着火箭推进技术的发展以及航天任务日趋复杂,航天器舱段和有效载荷数量增多,导致航天器总体方案设计难度增加。航天器舱内仪器、设备(组件)布局问题是航天器总体设计的重要组成部分,直接影响航天器的动力学性能、控制性能、使用寿命,甚至关系到航天任务的成败。本文研究航天器多舱段组件分配与布局优化设计问题。过去航天器多舱段一般在给定不可变组件分配方案下进行组件布局设计,不讨论组件在各舱段分配问题,因此限制了组件在各舱段的分配机会。如果各舱段的组件质量、体积等分配不合理,难以通过后续的组件布局设计进行改善,甚至无法达到技术指标要求。为了避免这种情况,应对组件在航天器多舱段的分配进行优化,组件分配方案需用组件布局进行评价。因此需要研究航天器多舱段组件分配与布局集成优化问题,以进一步提高这类多舱段航天器组件布局设计水平。本文建立航天器多舱段组件分配与布局优化数学模型,以质量特性作为主要优化目标,约束条件包括几何不干涉性、热干涉及电磁兼容,以及安装维护要求等,并给出它们的计算方法。主要研究内容和创新性工作如下。(1)针对具有2个支承面的返回式卫星回收舱组件布局问题,建立了以改进质量特性、空间利用率和再入稳定性为适应度函数的回收舱组件分配与布局集成优化模型,提出了禁忌搜索与差分进化相结合的两级优化算法。利用禁忌搜索算法通过回收舱两支承面之间组件迁移和互换,得到组件分配方案的邻域解,采用差分进化算法得到卫星回收舱组件分配优化的适应度函数,并对组件分配和布局进行集成优化。与传统的不可变组件分配算法相比,禁忌搜索与差分进化相结合的两级优化算法可以有效地降低卫星回收舱的转动惯量。(2)针对具有4个支承面的国际通信卫星舱,建立了以改进质量特性为目标的组件分配与布局集成优化模型,给出了质量特性为最优的目标函数。为了解决支承面和组件数量增多导致求解复杂度增加的问题,根据卫星舱结构和适应度函数特点提出了拟逐步回归的组件分配与布局集成优化算法。该算法将组件按质量与质心高度的特征值降序顺序逐一加入卫星舱并遍历各支承面,依据优化的卫星舱适应度值确定其所在支承面和方位。新组件加入卫星舱后,对卫星舱系统质量特性贡献增加的组件进行跨支承面迁移。该跨支承面的组件分配和布局方法可有效增加求解空间,改善了国际通信卫星舱质量特性。(3)针对具有3个舱段空间燃料站中的对接舱、功能舱和服务舱结构效率和质量特性优化问题,建立了功能舱4个分舱的贮箱形状、尺寸和布局的多目标优化模型,以结构效率和质量特性为优化目标。依据中心对称原则确定贮箱数量和分配方案,采用快速非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ对贮箱形状、尺寸和布局方位进行优化。在功能舱贮箱优化方案基础上,建立了服务舱4个分舱内仪器设备布局多目标优化模型,以改进燃料站总体质量特性为优化目标。为满足功能相关组件聚集性布局要求,提出拟逐步回归的组件成组分配与布局集成的多目标优化算法,先将组件按功能相关性进行分组,再将组件分组逐一加入服务舱进行分配与布局多目标优化。经功能舱和服务舱的分步优化,最终获得满足空间燃料站总体结构效率和质量特性指标的帕累托解集,为工程设计提供重要依据。本文研究的目的是给出新的理论和方法进一步提高航天器多舱段组件的总体布局设计水平,具有理论意义和工程应用价值。研究成果期望为类似多舱段设备舱(例如航天航空器舱布局、汽车动力舱布局、船舶动力舱布局)组件布局问题提供参考。