飞行器设计通常涉及多个学科和复杂费时的仿真模型,且各学科设计模型中通常存在多种不确定性,如何在追求飞行器高性能的同时,提高飞行器的稳健性与可靠性是当前迫切需要解决的问题。不确定性多学科设计优化(Uncertainty-Based Multidisciplinary Desgin Optimization,UMDO)方法研究不确定性条件下复杂系统的设计优化问题,对于提高飞行器设计水平具有重要意义。飞行器设计过程具有层次性,本文针对上述特点对随机及混合不确定性条件下层次系统的UMDO方法进行研究,包括近似建模、不确定性分析、不确定性优化以及UMDO优化过程四项关键技术,形成了一套针对层次系统的较为系统的UMDO方法,并将其分别应用于复合材料机翼气动弹性裁剪、小卫星总体设计以及在轨加注任务规划。在UMDO理论方面:首先,研究了近似建模中隐式极限状态方程的近似问题。对最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machines,LSSVM)方法进行了改进,提出了应用于隐式函数的近似的加权最小二乘支持向量回归机方法 WLSSVR(Weighted Least Squares Support Vector Regression,WLSSVR);针对隐式函数的全局近似问题,对其序贯建模方法进行了研究,提出了基于潜在最大梯度点的序贯建模方法;由于在工程实际中基于概率论的可靠性分析问题广泛存在,专门针对该问题开展了相应序贯建模方法的研究,提出了基于潜在最大可能点的序贯建模方法。通过测试算例验证了上述方法的近似能力。其次,研究了随机不确定性条件下层次系统的UMDO方法。构建了两种用于层次系统的随机不确定性分析法:同时概率分析法和层次概率分析法,并在此基础上提出了序贯概率目标级联分析法SPATC(Sequential Probabilistic Analytical Target Cascading)。将SPATC方法应用于具有近似正态或非正态相关响应以及高维问题上,验证了其计算效率与精度方面的优势。最后,研究了混合不确定性条件下层次系统的UMDO方法,具体包括混合不确定性传播方法、混合不确定性优化方法以及混合不确定性优化过程三部分。结合可靠性指标法RIA(Reliability Index Approach)以及性能测度法PMA(Performance Measurement Approach)形成了混合不确定性传播方法 RIA-MUP(Mixed Uncertainty Propagation)和PMA-MUP,为设计变量中包含不确定性融合变量的不确定性分析与传播问题提供了一种求解途径;通过PMA-MUP方法将可信性约束转换为确定性约束,进而将混合不确定性优化问题解耦为混合不确定性分析与确定性优化问题序贯求解,为混合不确定性优化问题的求解提供了一种有效方法;针对层次系统的混合不确定性优化问题,结合上述方法以及SPATC方法,提出了混合不确定性目标级联法MUATC(Mixed Uncertainty based Analytical Target Cascading),通过算例测试,验证了MUATC方法的有效性。在UMDO应用方面:首先,研究了复合材料机翼气动弹性裁剪问题。建立了复合材料机翼气动弹性裁剪问题的数学模型。对气动弹性裁剪问题进行了层次分解,采用ATC方法对分解后的模型进行组织求解,得到了较好的优化效果。考虑模型中存在随机不确定性和随机/认知不确定性混合的情况,分别采用SPATC方法和MUATC方法进行优化求解,获得了满足可靠性/可信性要求的最优方案。其次,研究了小卫星总体设计问题。建立了概念设计阶段小卫星总体设计学科模型,根据小卫星设计的层次性,对总体设计模型进行了层次分解。采用ATC方法对层次分解后的模型进行优化,得到了较好的设计方案。分析了学科模型中涉及到的不确定性,分别考虑单独随机不确定性条件的小卫星总体设计优化问题,以及混合不确定性条件下的小卫星总体设计优化问题,分别采用SPATC方法和MUATC方法进行优化求解,获得了较好的优化效果。最后,研究了在轨加注任务规划问题。建立了地球同步轨道卫星群在轨加注任务规划问题的数学模型,并将其分解为求解服务航天器从轨道仓库获取推进剂的次数、最优选址,最优路径规划以及目标航天器最优设计四个子问题进行求解,并对任务规划问题进行层次分解。以20颗我国运行在地球同步轨道上的航天器作为未来在轨加注的对象,开展了“一对一”以及“一对多”在轨加注的确定性任务规划,得到了最优规划方案。结果表明,“一对多”方案具有较大的优势。在此基础上,考虑客观随机不确定性和主观认知不确定性的影响,分别采用SPATC和MUATC方法对“一对多”在轨加注的随机不确定性任务规划问题以及混合不确定性任务规划问题进行求解,获得了满足可靠性或可信性要求的最优方案。总之,论文结合飞行器设计的特点,对UMDO的多项关键技术进行研究,形成了一套针对层次系统的较为系统的UMDO方法,并从部件级、总体级以及系统级三个层次探讨了其在飞行器设计中的应用,为UMDO理论发展和提高飞行器水平奠定了良好的基础。