基于可视化模型的可重构航天器概念设计方法

2020-07-25郭达维刘莉陈余军李文光程松

北京航空航天大学学报 2020年7期

郭达维，刘莉，*，陈余军，李文光，程松

（1.北京理工大学宇航学院，北京100081； 2.中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094）

可重构航天器是模块化即插即用技术与卫星平台技术相结合的新型卫星系统［1］。这种具有标准接口、长期在轨运行的公用平台通过多次发射及在轨组装而形成，能够大大提高在轨系统的灵活性、可扩展性和可维护性［2］。与传统的航天器相比，可重构航天器具有标准化、可重构、面向在轨服务等优势［3］，所以在概念设计阶段，工程设计人员具有较大的创新空间［4］。

飞行器概念设计阶段的关键问题是：如何快速给出多方案的对比分析，以便做出方案选择。为了提升概念设计的水平，国内外学者针对概念设计阶段的设计方法开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。Feng等［5］提出了基于知识的可扩展的构建飞机概念设计系统的方法，并实现了一个民用飞机概念设计系统的构建。陈稗等［6］研究了民用飞机机身结构快速设计及自动化调整的方法，并在一个开放式飞机总体设计环境中开发实现了相应功能。McManus等［7］提出了一种考虑风险的方案选择和概念设计过程，郭爱斌等［8］将其应用于卫星星座的概念设计中。杨金军等［9］基于自顶向下（Top-down）设计模式实现了航天器桁架结构的快速设计。

与传统航天器相比，可重构航天器概念设计阶段需要考虑几何和性能双重约束，现有概念设计方法和工具难以满足可重构航天器多方案快速设计评估需求。针对可重构航天器特点，面向其概念设计阶段需求，本文给出了一种基于可视化模型的可重构航天器概念设计方法的研究及实现过程，并通过算例验证了方法的有效性和平台的可行性。

1 基于可视化模型的概念设计方法

概念设计阶段就整体的设计过程而言，所花费的时间和经费成本并不突出，但是多数方案的提出和验证以及关键性的决策均发生在该阶段。对于可重构航天器，一方面由于其特殊的构成形式，具有高度的设计灵活性，另一方面其构型的合理性由几何和性能两方面同时约束。在考虑可重构航天器特点的同时，使工程设计人员发挥创造性并为设计方案迭代过程提供实现基础是概念设计方法所应达到的目标。

本文所提出的基于可视化模型的概念设计方法如图1所示，充分考虑了可重构航天器的特点及概念设计阶段的实际需求。工程设计人员使用该方法对可重构航天器进行设计时，首先对可重构模块的属性参数进行设置，之后基于模型库进行可视化建模，根据设计构思对可重构模块进行拼接，所得的构型将进行质量、基频特性评估及几何约束判断以供设计人员确定构型的合理性。对于合理性欠佳的构型修改属性参数设置或拼接形式以进行设计迭代；合理性被设计人员认可的构型将保存于模型库中。

基于上述方法，可在概念设计阶段支持工程设计人员将模糊的设计构思在短时间内转换为具有较高显示度的航天器构型，并能结合可重构航天器的设计约束对构型性能进行评估，可以为构型设计方案的快速形成、设计迭代提供支持。

图1 概念设计方法流程Fig.1 Workflow of conceptual design method

2 方法实现

2.1 可视化模型建立与特性关联

需进行可视化的模型包括各类不同功能的可重构航天器模块等重构部件，作为本文所提出概念设计方法的实现基础，重构部件可视化模型所包括的内涵特征如图2所示。

图2 可视化模型内涵Fig.2 Content of visualization model

根据图2所示的内涵特征，外形信息和尺寸信息是可视化模型中所包含的关键基础信息，采用从下至上的建模方式，根据模型特征对模型进行拆分建模，再将独立的部件进行拼接并设置成组合体，即得到含外形、尺寸信息的可视化模型；不同种类模型具有不一样的外形渲染特征，主要由材质、纹理属性决定，材质是纹理用于模型的媒介，纹理生成为材质后根据需要可设置纹理类型、纹理间隙等特性，本文使用了对模型添加纹理和材质贴图的方法，该方法与直接在三维建模软件中进行外形渲染相比，不会对内存和显存有过高的要求［10］；针对可重构航天器概念设计阶段需要考虑的几何约束，本文采用按部件外形设置网格碰撞器（Mesh Collider）或添加脚本监测部件间距离的方法实现重构部件的几何干涉属性。

可视化模型与物理特性之间的关联包括特性数据对应及特性模型更新。概念设计过程中，各重构部件的可视化模型均具有唯一编号，与模型库中各数据表存储编号对应，将重构部件可视化模型与物理特性在数据层面上对应。可视化模型中各重构部件的拼接关系、位置等信息为特性模型更新所需关键信息，随着概念设计的进行，上述信息通过重构部件可视化模型中若干标志点坐标信息的提取和转化获取，并用于重构部件物理特性模型的更新，以保证物理特性模型与可视化概念设计的一致性，支持航天器构型的性能评估。

2.2 性能快速评估

可重构航天器作为不同学科领域所构成的有机整体，在概念设计阶段对关键性能进行评估有利于提高航天器构型设计迭代的效率，并能为后续设计过程提供指标参考。本文所提出的基于可视化模型的概念设计方法中重点考虑可重构航天器质量特性、结构基频特性的评估。

2.2.1 质量特性评估

可重构航天器的质量特性是概念设计阶段的核心参数，主要包括整星质量、质心位置以及转动惯量，计算构型全局坐标系下质心的x轴坐标xcm的基本公式为

式中：Mi和xcmi分别为可重构航天器第i个重构部件的质量和全局坐标系下的质心x轴坐标。计算构型相对于以质心为原点的坐标x轴转动惯量Ix的基本公式为

式中：Ixi为可重构航天器第i个重构部件相对于以其质心为原点的坐标x轴的转动惯量；dxi为以第i个重构部件质心为原点的坐标x轴相对于以构型质心为原点的坐标x轴的距离。可重构航天器模块多为正六面体，一般以模块质心为原点的坐标轴与以构型质心为原点的坐标轴之间的夹角为0°，即上述两坐标系为平移变换关系。若两坐标系之间存在旋转变换关系，则在使用式（2）计算前还应对重构部件的转动惯量数据先进行旋转变换。

2.2.2 基频特性评估

航天器的基频及大部件刚度是航天器总体参数中的重要组成部分［11］，基于可视化模型的概念设计方法中，利用MSC.NASTRAN求解器及C＃程序实现了构型基频特性的快速评估。

以固定界面模态综合法［12］为理论基础的动态子结构分析，在MSC.NASTRAN中以超单元（Superelement）的形式实现［13］。针对可重构航天器的拼装灵活性及可拓展性，应重新定义生成组成模块的有限元模型，以用于组装构型有限元模型。本文方法中使用零件超单元（PARTs）对航天器构型各组成模块模型进行定义，该定义方法中，每个超单元都在所对应的独立卡片数据区域内定义，各卡片数据区域中都包括超单元的几何、单元、属性、约束以及载荷数据，所以当使用零件超单元方法时，可视为各超单元像零件一样装配形成最终模型的过程，易于模型文件的自动化编写。

根据MSC.NASTRAN中对于超单元的定义规则，各超单元中位置重合的节点和单元将被视为各超单元的连接部分，这部分模型属于残余结构（Residual Structure），模型信息需要在模型数据文件（*.bdf文件）中单独声明，相关的MSC.NASTRAN命令见表1［14］。

表1 M SC.NASTRAN零件超单元创建命令［14］Table 1 MSC.NASTRAN comm ands for PARTs definition［14］

对于MSC.NASTRAN求解器中的模态综合法，模型的组装为各超单元模型之间及超单元与残余结构间的连接过程，连接完成后即可进行模态分析。为实现构型有限元模型的正确组装，关键技术包括超单元模型数据的写入和模型的位置调整。

超单元模型数据的写入需借助C＃程序，利用模块拼接顺序、位置、姿态等信息，结合模型库中存储并重新生成的模块有限元模型，编写*.bd f文件。首先编写求解序列及工况设置等信息，再结合外部数据依次写入残余结构模型及超单元模型信息，若模型组装完成即停止写入，否则继续写入模型信息，实现过程如图3所示。

对于采用零件超单元的模型数据，性能评估正确性的核心在于超单元模块连接正确且各连接界面位置完全重合。本文采用了如图4所示的一级超单元体系结构［15］，为调整子结构的位置和姿态，使用了POINT和SELOC语句来保证模块连接的正确性。根据模块拼接信息，POINT语句在空间中定义3个不共线的点以标志出模块连接面的3个顶点，此后通过SELOC语句指定某超单元上对应连接面的3个顶点调整位置与之重合，实现模型位置的正确调整与模块组装，该过程示意图如图5所示。

图3 模型数据写入实现过程Fig.3 Realization process ofmodel data editing

图4 一级超单元体系结构［15］Fig.4 Single-level superelement system structure diagram［15］

图5 模型位置调整过程示意图Fig.5 Schematic diagram ofmodel location adjustment process

3 平台的体系框架

3.1 平台总体框架设计

根据本文所提出的基于可视化模型的可重构航天器概念设计方法，可视化概念设计平台的总体设计框架如图6所示，平台按功能分为可视化建模、数据源、检测与评估及可视化显示与交互4个模块，具体如下。

图6 平台总体设计框架Fig.6 Overall design architecture of platform

1）可视化建模包括三维模型建立和外形渲染：三维建模中根据外形和尺寸信息建立概念设计阶段所需的模型；外形渲染结合重构部件的外层材料材质特点，使用映射技术以增强模型的真实感。

2）数据源包括重构部件模型库及输入参数两部分。重构部件模型库中包括可视化建模模块中所获得的可重构部件可视化模型及部件特性模型；输入参数主要是通过平台为重构部件输入的物理参数和接口属性信息。

3）检测与评估模块为平台的核心功能模块，在工程设计人员操作平台的过程中，该模块实时进行接口检测，确认是否满足几何约束，通过检测后进行模块拼接，确保可将满足连接条件的模块接口连接；完成模块连接操作后，对形成的可重构构型进行性能评估并关联物理特性，相关数据信息可保存于重构部件数据库中。

4）可视化显示与交互为平台的主要人机交互界面，可根据工程设计人员需要，基于渲染管线对各类模型进行三维可视化变换，实现不同可重构模块的移动和连接，接收性能评估数据并进行显示，为可重构航天器概念设计阶段的模块装配提供了客观逼真的场景。

3.2 信息流程设计

基于平台总体设计框架，在进行可重构航天器概念设计的过程中，工程设计人员可通过交互界面进行构型的新建、保存以及打开，上述操作过程中指令信息经交互界面传递至可视化场景，场景对信息进行处理后将参数信息对应传递至模型库、性能评估模块以实现模型库信息的获取及评估模块的调用，反馈的结果或参数信息将传送至可视化场景中以支持概念设计工作，该流程随航天器构型设计而持续运行，设计平台的信息流程如图7所示。

图7 平台信息流程Fig.7 Information flow of platform

4 平台搭建与算例

4.1 平台搭建

可重构航天器可视化概念设计平台根据框架设计方案基于多平台开发搭建，其中基于Visual Studio软件进行WPF前端程序开发，可视化交互界面基于Unity3D开发，模型库基于SQL Server数据库引擎开发。

模型库的架构设计将直接影响设计的效率及实现的效果，合理的设计将减少模型库存储量，并使数据有较高的完整性和一致性［16］。根据不同的数据存储对象，模型库内部架构分为标准库、模块库和构型库，如图8所示。

在可重构航天器概念设计阶段，为快速完成航天器构型的设计，需实现标准模块的快速导入。为此在标准库中存储常用可重构模块的三维模型及属性数据，可实现航天器模块的快速生成和信息的快速提取。

图8 重构部件模型库架构Fig.8 Architecture of reconfigurable componentsmodel base

模块库主要针对经过人为调整修改的特定模块进行数据存储，参数修改后的模块，若在设计中将被多次使用，可在属性数据设置完成后保存至模块库，此后可直接调用以避免重复操作。

主要是平流雾对能见度影响较大，雾季航行除了严格遵守有关雾航规定外，还需加强VHF值班，收听VTS通告及它船动态，可安排专人负责。应用好雷达、AIS导航，充分发挥AIS导航进行了望。能见度不良时，尽量不要追越它船，确需追越时可利用TCPA进行判断，判断先会遇还是先追越，还有会遇时间、地点、距离，但应留有3～5分钟的安全余量。

构型库对应由重构部件拼接所形成的可重构航天器构型，通过对模块的添加和拼接设计，并进行特性分析评估，即完成一种特定构型的初步设计评估工作。初步设计的航天器构型可以保存至构型库中，构型库将对数据信息进行保存以便再次进行编辑。

为开发并建立重构部件模型库，依照模型库架构，设计标准模块表、自定义模块表、航天器构型表及航天器模块表以完成对于概念设计的数据支持，数据表间的关系如图9所示。

图9 数据表的数据关系Fig.9 Data relationship of data tables

4.2 算例

为说明本文方法的有效性，给出了基于平台所实现的可重构航天器概念设计算例。算例参考了Adomeit等［17］对于可重构航天器的设计思想，可重构模块包括系统模块和用于传递载荷的结构模块，其中系统模块对应航天器子系统可划分为不同功能的模块。

在平台资源准备阶段，结合重构部件模型库，工程设计人员向可视化场景中添加可重构模块；在概念设计运行阶段，利用平台的人机交互功能，设计人员可按照设计意图拼接模块形成航天器构型，并能根据需求向场景中继续添加模块；平台中分析评估与概念设计同步进行，性能评估模块对航天器构型的质量、基频特性进行评估，同时更新重构部件模型库中的数据。在可重构航天器设计过程中设计人员可随时调整场景的视点和视角，并将初步设计获得的航天器构型保存于模型库以便再次查看和编辑。图10给出了设计人员拖拽传感器模块与结构模块进行拼接过程中，模块接口间距满足连接几何要求时场景中弹出连接按钮的平台界面场景。界面上方为菜单栏，左侧任务栏用于显示任务树及模型相关信息，中部的操作显示区为嵌入的Unity3D三维交互场景，为平台主要操作区域，下方的日志记录区主要用于显示各关键操作指令信息等。