基于可視化模型的可重構(gòu)航天器概念設(shè)計方法

郭達(dá)維，劉莉，*，陳余軍，李文光，程松

（1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081； 2.中國空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094）

可重構(gòu)航天器是模塊化即插即用技術(shù)與衛(wèi)星平臺技術(shù)相結(jié)合的新型衛(wèi)星系統(tǒng)［1］。這種具有標(biāo)準(zhǔn)接口、長期在軌運行的公用平臺通過多次發(fā)射及在軌組裝而形成，能夠大大提高在軌系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和可維護(hù)性［2］。與傳統(tǒng)的航天器相比，可重構(gòu)航天器具有標(biāo)準(zhǔn)化、可重構(gòu)、面向在軌服務(wù)等優(yōu)勢［3］，所以在概念設(shè)計階段，工程設(shè)計人員具有較大的創(chuàng)新空間［4］。

飛行器概念設(shè)計階段的關(guān)鍵問題是：如何快速給出多方案的對比分析，以便做出方案選擇。為了提升概念設(shè)計的水平，國內(nèi)外學(xué)者針對概念設(shè)計階段的設(shè)計方法開展了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。Feng等［5］提出了基于知識的可擴展的構(gòu)建飛機概念設(shè)計系統(tǒng)的方法，并實現(xiàn)了一個民用飛機概念設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建。陳稗等［6］研究了民用飛機機身結(jié)構(gòu)快速設(shè)計及自動化調(diào)整的方法，并在一個開放式飛機總體設(shè)計環(huán)境中開發(fā)實現(xiàn)了相應(yīng)功能。McManus等［7］提出了一種考慮風(fēng)險的方案選擇和概念設(shè)計過程，郭愛斌等［8］將其應(yīng)用于衛(wèi)星星座的概念設(shè)計中。楊金軍等［9］基于自頂向下（Top-down）設(shè)計模式實現(xiàn)了航天器桁架結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。

與傳統(tǒng)航天器相比，可重構(gòu)航天器概念設(shè)計階段需要考慮幾何和性能雙重約束，現(xiàn)有概念設(shè)計方法和工具難以滿足可重構(gòu)航天器多方案快速設(shè)計評估需求。針對可重構(gòu)航天器特點，面向其概念設(shè)計階段需求，本文給出了一種基于可視化模型的可重構(gòu)航天器概念設(shè)計方法的研究及實現(xiàn)過程，并通過算例驗證了方法的有效性和平臺的可行性。

1 基于可視化模型的概念設(shè)計方法

概念設(shè)計階段就整體的設(shè)計過程而言，所花費的時間和經(jīng)費成本并不突出，但是多數(shù)方案的提出和驗證以及關(guān)鍵性的決策均發(fā)生在該階段。對于可重構(gòu)航天器，一方面由于其特殊的構(gòu)成形式，具有高度的設(shè)計靈活性，另一方面其構(gòu)型的合理性由幾何和性能兩方面同時約束。在考慮可重構(gòu)航天器特點的同時，使工程設(shè)計人員發(fā)揮創(chuàng)造性并為設(shè)計方案迭代過程提供實現(xiàn)基礎(chǔ)是概念設(shè)計方法所應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)。

本文所提出的基于可視化模型的概念設(shè)計方法如圖1所示，充分考慮了可重構(gòu)航天器的特點及概念設(shè)計階段的實際需求。工程設(shè)計人員使用該方法對可重構(gòu)航天器進(jìn)行設(shè)計時，首先對可重構(gòu)模塊的屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，之后基于模型庫進(jìn)行可視化建模，根據(jù)設(shè)計構(gòu)思對可重構(gòu)模塊進(jìn)行拼接，所得的構(gòu)型將進(jìn)行質(zhì)量、基頻特性評估及幾何約束判斷以供設(shè)計人員確定構(gòu)型的合理性。對于合理性欠佳的構(gòu)型修改屬性參數(shù)設(shè)置或拼接形式以進(jìn)行設(shè)計迭代；合理性被設(shè)計人員認(rèn)可的構(gòu)型將保存于模型庫中。

基于上述方法，可在概念設(shè)計階段支持工程設(shè)計人員將模糊的設(shè)計構(gòu)思在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為具有較高顯示度的航天器構(gòu)型，并能結(jié)合可重構(gòu)航天器的設(shè)計約束對構(gòu)型性能進(jìn)行評估，可以為構(gòu)型設(shè)計方案的快速形成、設(shè)計迭代提供支持。

圖1 概念設(shè)計方法流程Fig.1 Workflow of conceptual design method

2 方法實現(xiàn)

2.1 可視化模型建立與特性關(guān)聯(lián)

需進(jìn)行可視化的模型包括各類不同功能的可重構(gòu)航天器模塊等重構(gòu)部件，作為本文所提出概念設(shè)計方法的實現(xiàn)基礎(chǔ)，重構(gòu)部件可視化模型所包括的內(nèi)涵特征如圖2所示。

圖2 可視化模型內(nèi)涵Fig.2 Content of visualization model

根據(jù)圖2所示的內(nèi)涵特征，外形信息和尺寸信息是可視化模型中所包含的關(guān)鍵基礎(chǔ)信息，采用從下至上的建模方式，根據(jù)模型特征對模型進(jìn)行拆分建模，再將獨立的部件進(jìn)行拼接并設(shè)置成組合體，即得到含外形、尺寸信息的可視化模型；不同種類模型具有不一樣的外形渲染特征，主要由材質(zhì)、紋理屬性決定，材質(zhì)是紋理用于模型的媒介，紋理生成為材質(zhì)后根據(jù)需要可設(shè)置紋理類型、紋理間隙等特性，本文使用了對模型添加紋理和材質(zhì)貼圖的方法，該方法與直接在三維建模軟件中進(jìn)行外形渲染相比，不會對內(nèi)存和顯存有過高的要求［10］；針對可重構(gòu)航天器概念設(shè)計階段需要考慮的幾何約束，本文采用按部件外形設(shè)置網(wǎng)格碰撞器（Mesh Collider）或添加腳本監(jiān)測部件間距離的方法實現(xiàn)重構(gòu)部件的幾何干涉屬性。

可視化模型與物理特性之間的關(guān)聯(lián)包括特性數(shù)據(jù)對應(yīng)及特性模型更新。概念設(shè)計過程中，各重構(gòu)部件的可視化模型均具有唯一編號，與模型庫中各數(shù)據(jù)表存儲編號對應(yīng)，將重構(gòu)部件可視化模型與物理特性在數(shù)據(jù)層面上對應(yīng)?？梢暬Ｐ椭懈髦貥?gòu)部件的拼接關(guān)系、位置等信息為特性模型更新所需關(guān)鍵信息，隨著概念設(shè)計的進(jìn)行，上述信息通過重構(gòu)部件可視化模型中若干標(biāo)志點坐標(biāo)信息的提取和轉(zhuǎn)化獲取，并用于重構(gòu)部件物理特性模型的更新，以保證物理特性模型與可視化概念設(shè)計的一致性，支持航天器構(gòu)型的性能評估。

2.2 性能快速評估

可重構(gòu)航天器作為不同學(xué)科領(lǐng)域所構(gòu)成的有機整體，在概念設(shè)計階段對關(guān)鍵性能進(jìn)行評估有利于提高航天器構(gòu)型設(shè)計迭代的效率，并能為后續(xù)設(shè)計過程提供指標(biāo)參考。本文所提出的基于可視化模型的概念設(shè)計方法中重點考慮可重構(gòu)航天器質(zhì)量特性、結(jié)構(gòu)基頻特性的評估。

2.2.1 質(zhì)量特性評估

可重構(gòu)航天器的質(zhì)量特性是概念設(shè)計階段的核心參數(shù)，主要包括整星質(zhì)量、質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動慣量，計算構(gòu)型全局坐標(biāo)系下質(zhì)心的x軸坐標(biāo)xcm的基本公式為

式中：Mi和xcmi分別為可重構(gòu)航天器第i個重構(gòu)部件的質(zhì)量和全局坐標(biāo)系下的質(zhì)心x軸坐標(biāo)。計算構(gòu)型相對于以質(zhì)心為原點的坐標(biāo)x軸轉(zhuǎn)動慣量Ix的基本公式為

式中：Ixi為可重構(gòu)航天器第i個重構(gòu)部件相對于以其質(zhì)心為原點的坐標(biāo)x軸的轉(zhuǎn)動慣量；dxi為以第i個重構(gòu)部件質(zhì)心為原點的坐標(biāo)x軸相對于以構(gòu)型質(zhì)心為原點的坐標(biāo)x軸的距離?？芍貥?gòu)航天器模塊多為正六面體，一般以模塊質(zhì)心為原點的坐標(biāo)軸與以構(gòu)型質(zhì)心為原點的坐標(biāo)軸之間的夾角為0°，即上述兩坐標(biāo)系為平移變換關(guān)系。若兩坐標(biāo)系之間存在旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，則在使用式（2）計算前還應(yīng)對重構(gòu)部件的轉(zhuǎn)動慣量數(shù)據(jù)先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。

2.2.2 基頻特性評估

航天器的基頻及大部件剛度是航天器總體參數(shù)中的重要組成部分［11］，基于可視化模型的概念設(shè)計方法中，利用MSC.NASTRAN求解器及C＃程序?qū)崿F(xiàn)了構(gòu)型基頻特性的快速評估。

以固定界面模態(tài)綜合法［12］為理論基礎(chǔ)的動態(tài)子結(jié)構(gòu)分析，在MSC.NASTRAN中以超單元（Superelement）的形式實現(xiàn)［13］。針對可重構(gòu)航天器的拼裝靈活性及可拓展性，應(yīng)重新定義生成組成模塊的有限元模型，以用于組裝構(gòu)型有限元模型。本文方法中使用零件超單元（PARTs）對航天器構(gòu)型各組成模塊模型進(jìn)行定義，該定義方法中，每個超單元都在所對應(yīng)的獨立卡片數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)定義，各卡片數(shù)據(jù)區(qū)域中都包括超單元的幾何、單元、屬性、約束以及載荷數(shù)據(jù)，所以當(dāng)使用零件超單元方法時，可視為各超單元像零件一樣裝配形成最終模型的過程，易于模型文件的自動化編寫。

根據(jù)MSC.NASTRAN中對于超單元的定義規(guī)則，各超單元中位置重合的節(jié)點和單元將被視為各超單元的連接部分，這部分模型屬于殘余結(jié)構(gòu)（Residual Structure），模型信息需要在模型數(shù)據(jù)文件（*.bdf文件）中單獨聲明，相關(guān)的MSC.NASTRAN命令見表1［14］。

表1 M SC.NASTRAN零件超單元創(chuàng)建命令［14］Table 1 MSC.NASTRAN comm ands for PARTs definition［14］

對于MSC.NASTRAN求解器中的模態(tài)綜合法，模型的組裝為各超單元模型之間及超單元與殘余結(jié)構(gòu)間的連接過程，連接完成后即可進(jìn)行模態(tài)分析。為實現(xiàn)構(gòu)型有限元模型的正確組裝，關(guān)鍵技術(shù)包括超單元模型數(shù)據(jù)的寫入和模型的位置調(diào)整。

超單元模型數(shù)據(jù)的寫入需借助C＃程序，利用模塊拼接順序、位置、姿態(tài)等信息，結(jié)合模型庫中存儲并重新生成的模塊有限元模型，編寫*.bd f文件。首先編寫求解序列及工況設(shè)置等信息，再結(jié)合外部數(shù)據(jù)依次寫入殘余結(jié)構(gòu)模型及超單元模型信息，若模型組裝完成即停止寫入，否則繼續(xù)寫入模型信息，實現(xiàn)過程如圖3所示。

對于采用零件超單元的模型數(shù)據(jù)，性能評估正確性的核心在于超單元模塊連接正確且各連接界面位置完全重合。本文采用了如圖4所示的一級超單元體系結(jié)構(gòu)［15］，為調(diào)整子結(jié)構(gòu)的位置和姿態(tài)，使用了POINT和SELOC語句來保證模塊連接的正確性。根據(jù)模塊拼接信息，POINT語句在空間中定義3個不共線的點以標(biāo)志出模塊連接面的3個頂點，此后通過SELOC語句指定某超單元上對應(yīng)連接面的3個頂點調(diào)整位置與之重合，實現(xiàn)模型位置的正確調(diào)整與模塊組裝，該過程示意圖如圖5所示。

圖3 模型數(shù)據(jù)寫入實現(xiàn)過程Fig.3 Realization process ofmodel data editing

圖4 一級超單元體系結(jié)構(gòu)［15］Fig.4 Single-level superelement system structure diagram［15］

圖5 模型位置調(diào)整過程示意圖Fig.5 Schematic diagram ofmodel location adjustment process

3 平臺的體系框架

3.1 平臺總體框架設(shè)計

根據(jù)本文所提出的基于可視化模型的可重構(gòu)航天器概念設(shè)計方法，可視化概念設(shè)計平臺的總體設(shè)計框架如圖6所示，平臺按功能分為可視化建模、數(shù)據(jù)源、檢測與評估及可視化顯示與交互4個模塊，具體如下。

圖6 平臺總體設(shè)計框架Fig.6 Overall design architecture of platform

1）可視化建模包括三維模型建立和外形渲染：三維建模中根據(jù)外形和尺寸信息建立概念設(shè)計階段所需的模型；外形渲染結(jié)合重構(gòu)部件的外層材料材質(zhì)特點，使用映射技術(shù)以增強模型的真實感。

2）數(shù)據(jù)源包括重構(gòu)部件模型庫及輸入?yún)?shù)兩部分。重構(gòu)部件模型庫中包括可視化建模模塊中所獲得的可重構(gòu)部件可視化模型及部件特性模型；輸入?yún)?shù)主要是通過平臺為重構(gòu)部件輸入的物理參數(shù)和接口屬性信息。

3）檢測與評估模塊為平臺的核心功能模塊，在工程設(shè)計人員操作平臺的過程中，該模塊實時進(jìn)行接口檢測，確認(rèn)是否滿足幾何約束，通過檢測后進(jìn)行模塊拼接，確?？蓪M足連接條件的模塊接口連接；完成模塊連接操作后，對形成的可重構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行性能評估并關(guān)聯(lián)物理特性，相關(guān)數(shù)據(jù)信息可保存于重構(gòu)部件數(shù)據(jù)庫中。

4）可視化顯示與交互為平臺的主要人機交互界面，可根據(jù)工程設(shè)計人員需要，基于渲染管線對各類模型進(jìn)行三維可視化變換，實現(xiàn)不同可重構(gòu)模塊的移動和連接，接收性能評估數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，為可重構(gòu)航天器概念設(shè)計階段的模塊裝配提供了客觀逼真的場景。

3.2 信息流程設(shè)計

基于平臺總體設(shè)計框架，在進(jìn)行可重構(gòu)航天器概念設(shè)計的過程中，工程設(shè)計人員可通過交互界面進(jìn)行構(gòu)型的新建、保存以及打開，上述操作過程中指令信息經(jīng)交互界面?zhèn)鬟f至可視化場景，場景對信息進(jìn)行處理后將參數(shù)信息對應(yīng)傳遞至模型庫、性能評估模塊以實現(xiàn)模型庫信息的獲取及評估模塊的調(diào)用，反饋的結(jié)果或參數(shù)信息將傳送至可視化場景中以支持概念設(shè)計工作，該流程隨航天器構(gòu)型設(shè)計而持續(xù)運行，設(shè)計平臺的信息流程如圖7所示。

圖7 平臺信息流程Fig.7 Information flow of platform

4 平臺搭建與算例

4.1 平臺搭建

可重構(gòu)航天器可視化概念設(shè)計平臺根據(jù)框架設(shè)計方案基于多平臺開發(fā)搭建，其中基于Visual Studio軟件進(jìn)行WPF前端程序開發(fā)，可視化交互界面基于Unity3D開發(fā)，模型庫基于SQL Server數(shù)據(jù)庫引擎開發(fā)。

模型庫的架構(gòu)設(shè)計將直接影響設(shè)計的效率及實現(xiàn)的效果，合理的設(shè)計將減少模型庫存儲量，并使數(shù)據(jù)有較高的完整性和一致性［16］。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)存儲對象，模型庫內(nèi)部架構(gòu)分為標(biāo)準(zhǔn)庫、模塊庫和構(gòu)型庫，如圖8所示。

在可重構(gòu)航天器概念設(shè)計階段，為快速完成航天器構(gòu)型的設(shè)計，需實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模塊的快速導(dǎo)入。為此在標(biāo)準(zhǔn)庫中存儲常用可重構(gòu)模塊的三維模型及屬性數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)航天器模塊的快速生成和信息的快速提取。

圖8 重構(gòu)部件模型庫架構(gòu)Fig.8 Architecture of reconfigurable componentsmodel base

模塊庫主要針對經(jīng)過人為調(diào)整修改的特定模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，參數(shù)修改后的模塊，若在設(shè)計中將被多次使用，可在屬性數(shù)據(jù)設(shè)置完成后保存至模塊庫，此后可直接調(diào)用以避免重復(fù)操作。

主要是平流霧對能見度影響較大，霧季航行除了嚴(yán)格遵守有關(guān)霧航規(guī)定外，還需加強VHF值班，收聽VTS通告及它船動態(tài)，可安排專人負(fù)責(zé)。應(yīng)用好雷達(dá)、AIS導(dǎo)航，充分發(fā)揮AIS導(dǎo)航進(jìn)行了望。能見度不良時，盡量不要追越它船，確需追越時可利用TCPA進(jìn)行判斷，判斷先會遇還是先追越，還有會遇時間、地點、距離，但應(yīng)留有3～5分鐘的安全余量。

構(gòu)型庫對應(yīng)由重構(gòu)部件拼接所形成的可重構(gòu)航天器構(gòu)型，通過對模塊的添加和拼接設(shè)計，并進(jìn)行特性分析評估，即完成一種特定構(gòu)型的初步設(shè)計評估工作。初步設(shè)計的航天器構(gòu)型可以保存至構(gòu)型庫中，構(gòu)型庫將對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存以便再次進(jìn)行編輯。

為開發(fā)并建立重構(gòu)部件模型庫，依照模型庫架構(gòu)，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模塊表、自定義模塊表、航天器構(gòu)型表及航天器模塊表以完成對于概念設(shè)計的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)表間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)關(guān)系Fig.9 Data relationship of data tables

4.2 算 例

為說明本文方法的有效性，給出了基于平臺所實現(xiàn)的可重構(gòu)航天器概念設(shè)計算例。算例參考了Adomeit等［17］對于可重構(gòu)航天器的設(shè)計思想，可重構(gòu)模塊包括系統(tǒng)模塊和用于傳遞載荷的結(jié)構(gòu)模塊，其中系統(tǒng)模塊對應(yīng)航天器子系統(tǒng)可劃分為不同功能的模塊。

在平臺資源準(zhǔn)備階段，結(jié)合重構(gòu)部件模型庫，工程設(shè)計人員向可視化場景中添加可重構(gòu)模塊；在概念設(shè)計運行階段，利用平臺的人機交互功能，設(shè)計人員可按照設(shè)計意圖拼接模塊形成航天器構(gòu)型，并能根據(jù)需求向場景中繼續(xù)添加模塊；平臺中分析評估與概念設(shè)計同步進(jìn)行，性能評估模塊對航天器構(gòu)型的質(zhì)量、基頻特性進(jìn)行評估，同時更新重構(gòu)部件模型庫中的數(shù)據(jù)。在可重構(gòu)航天器設(shè)計過程中設(shè)計人員可隨時調(diào)整場景的視點和視角，并將初步設(shè)計獲得的航天器構(gòu)型保存于模型庫以便再次查看和編輯。圖10給出了設(shè)計人員拖拽傳感器模塊與結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行拼接過程中，模塊接口間距滿足連接幾何要求時場景中彈出連接按鈕的平臺界面場景。界面上方為菜單欄，左側(cè)任務(wù)欄用于顯示任務(wù)樹及模型相關(guān)信息，中部的操作顯示區(qū)為嵌入的Unity3D三維交互場景，為平臺主要操作區(qū)域，下方的日志記錄區(qū)主要用于顯示各關(guān)鍵操作指令信息等。

圖10 模塊連接效果Fig.10 Rendering ofmodule connection

以概念設(shè)計方案為基礎(chǔ)，圖11為通過平臺設(shè)計獲得可重構(gòu)航天器構(gòu)型后，平臺對構(gòu)型的質(zhì)量和基頻特性進(jìn)行評估的場景，所得結(jié)果顯示于操作顯示區(qū)左下側(cè)的性能評估窗口，設(shè)計人員可對構(gòu)型方案合理性做出判斷以進(jìn)行迭代設(shè)計。

圖11 航天器構(gòu)型特性評估效果Fig.11 Rendering of spacecraft configuration characteristics evaluation

5 結(jié) 論

本文針對可重構(gòu)航天器概念設(shè)計階段需要在保證設(shè)計效率的前提下考慮幾何及性能雙重約束進(jìn)行設(shè)計這一問題，提出了基于可視化模型的可重構(gòu)航天器概念設(shè)計方法。

1）所提方法基于具有幾何及性能特性的可視化模型，實現(xiàn)了可視化層面和物理特性層面的關(guān)聯(lián)，將傳統(tǒng)分析方法中獨立實現(xiàn)的三維模型建立和性能分析步驟進(jìn)行有效整合。

2）所提方法對應(yīng)概念設(shè)計階段設(shè)計空間大、方案迭代頻繁的特點，依托重構(gòu)部件模型庫實現(xiàn)設(shè)計過程的數(shù)據(jù)信息支持，具有一定的工程適用性。

3）基于所提方法所搭建的設(shè)計平臺具有可擴展性及較強的人機交互性能，平臺具有接入其他領(lǐng)域特性評估模塊的能力，操作直觀，較使用CAD軟件設(shè)計構(gòu)型具有更強的浸入感。

4）算例表明，可重構(gòu)航天器可視化概念設(shè)計平臺為新型航天器的概念設(shè)計提供了關(guān)鍵信息參考，為后續(xù)設(shè)計方案的分析與修改奠定了基礎(chǔ)，具有一定推廣應(yīng)用的前景。