引言
随着太空探索的持续进步和航天器在轨运行时间的延长，对低温推进剂长期储存的需求大幅增长。这些推进剂因其高比冲、无毒、环境友好和成本效益高而广受欢迎。然而，它们极低的沸点和固有的储存挑战严重限制了其在轨道环境中的长期应用 (Chato, 2007; Kutter et al., 2005)。为解决此问题，NASA 研究人员开发了零蒸发 (ZBO) 储存系统，该系统集成了主动冷却和被动热防护策略。在这些被动热防护方法中，多层绝热 (MLI) 代表了 ZBO 框架内的关键技术 (Plachta et al., 2006; Plachta et al., 2016; Plachta and Guzik, 2014)。因此，提高 MLI 的热性能对于进一步推进零蒸发储存技术的开发和实际应用至关重要。
低温 MLI 通常由反射辐射屏蔽层和低导热性间隔材料组成。辐射屏蔽层是涂有高反射金属层的薄膜。为进一步优化其热性能，提出了一种变密度 MLI (VD-MLI) 配置，其特征是靠近冷边界的层间距较稀疏，靠近热边界的层较密集。这种设计在提高热绝缘性能的同时降低了整体系统质量 (Tien and Cunnington, 1973; Hastings et al., 2004)。马歇尔航天中心将泡沫 VD-MLI 复合绝热系统集成到其多用途氢测试平台中进行实验测试。MLI 在高真空、低压环境中表现最佳，而泡沫绝热在较高环境压力下表现出更优异的绝热性能。因此，在泡沫 VD-MLI 组件中，泡沫层主要提供地面停留和发射上升阶段的热绝缘，而 MLI 层作为在在轨空间飞行操作的主要热屏障 (Hastings et al., 2004; Martin and Hastings, 2001; Wang et al., 2020)。
近年来，低温多层绝热研究已从结构优化逐渐扩展到热性能评估、实验表征和工程应用。最近的研究调查了 MLI 系统的真空压力监测、基于熵产分析的热力学优化、液氢温度下无低温剂热性能测量技术，以及面向低温应用的高级绝热材料和性能测试方法的开发 (Wang et al., 2021; Wang et al., 2024; Gao et al., 2026; Gao et al., 2026)。一些研究人员 (Yuxuan et al., 2026; Wei et al., 2026; Zhi et al., 2025; Zhi et al., 2013) 专注于使用传统绝热方法的超低温方法进行液氦温度研究。这些研究显著促进了人们对液氢储存和运输多层绝热系统的理解和工程应用。
虽然 VD-MLI 显著增强了传统 MLI 的热绝缘性能并得到了广泛接受和应用，但专注于优化其层密度配置的研究仍然有限 (Li et al., 2022; Fesmire and Johnson, 2018; Huang et al., 2017; Wang et al., 2016; Zheng et al., 2018)。大多数现有研究依赖暴力参数扫描来确定最佳层分布，但这种穷举搜索方法涉及极高的计算成本和长运行时间。此外，固体传导构成了绝热系统内次要但不可忽视的热路径。因此，开发具有低导热系数的高性能间隔材料并建立 VD-MLI 层密度分布的高效优化算法，对于进一步提高多层绝热系统的整体热性能均至关重要。
由 Kirkpatrick 提出的模拟退火 (SA) 是一种旨在解决具有广泛解空间的组合优化问题的优化算法。该算法灵感来源于具有多自由度的物理系统。类似于结晶过程，该算法模仿物理系统如何达到其最小能量状态：系统首先被加热到极端温度，然后逐渐冷却。这种逐渐冷却的过程防止系统过早收敛于局部最小值，并使其稳定在全局低能量状态 (Smith et al., 2004, Suman and Kumar, 2006; Kirkpatrick, 1984)。
作为一种元启发式局部搜索算法，模拟退火 (SA) 不同于传统启发式方法，它不能保证数学上的最优解。相反，它在合理的计算时间内为复杂工程问题提供可接受的最优解。SA 的一个显著特征是它能够通过允许暂时恶化目标函数的爬山移动来逃离局部最优，从而有助于搜索全局最优。在每次迭代中，算法生成一个初始解和一个相应的候选解。虽然较优的解通常被接受，但某些较差的解也会以特定概率被保留。这种机制避免了过早收敛到局部最优，并提高了识别全局最优配置的可能性 (Cakir et al., 2011; Hamzadayi and Yildiz, 2013; Tole et al., 2023)。由于这一优势，SA 已广泛应用于各种工程应用中，包括集成电路布局设计、优化编码、资源分配和逻辑综合。
本研究的主要目标是最小化 MLI 系统的热量泄漏并提高其整体热绝缘性能。为实现此目标，进行了两项关键努力。首先，开发了一种名为变密度及间隔材料多层绝热 (VDS-MLI) 的新型分层设计，以克服传统 MLI 配置固有的结构局限性。其次，为解决传统层密度优化方法的效率低下问题——通常计算密集且耗时——实施了模拟退火算法来优化层密度分布。
