CN103149005A - 基于stl的通信卫星上10n推力器羽流热效应影响分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于STL的卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，属于卫星设计技术领域。本发明提供一种既可分析形状规则设备，又可分析形状不规则设备所受羽流热影响，并且可判断所研究对象具体表面，并能准确计算得到各个面积微元的面积的方法。采用本方法只要提供三维模型，即可分析其表面受到的羽流热影响；面积计算简单，所有三角形网格的面积之和与研究对象的实际表面积偏差小；分析结果更接近实际情况。

Description

基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，属于卫星设计技术领域。

背景技术

卫星推力器羽流会影响卫星的工作性能和寿命。目前关于卫星推力器羽流影响主要集中在干扰力影响分析和热效应影响分析上，分析方法包括理论计算和对试验数据的拟合。

在通信卫星布局过程中，应考虑双组元推力器的喷射羽流对卫星表面设备产生的影响。在工程实际中，基于试验数据的数据拟合方法已经被用来分析由于双组元推力器冲击带来的热影响和动力学影响，如中国专利CN201010606039所公开的名称为一种10N推力器羽流场热效应及动力学效应确定方法。但该方法主要存在以下问题：

(1)该方法所分析的对象是具有规则形状，能用公式可以表示的设备，如抛物面天线、柱面天线和太阳翼等，不适合计算形状不规则或无法用公式表达的复杂曲面所受到的羽流影响。在通信卫星上，有各种形状不规则的表面设备，如赋形反射面天线、天线加强筋和天线塔等，前者和理论抛物面反射面不同，后两者离推力器的距离比天线反射面更近，所以分析表面形状不规则的设备受到的羽流热影响更为必要；

(2)该方法在分析所研究对象受到的羽流热影响时，输入的是研究对象的表面形状标量表达式，只包含空间位置信息，不含法向矢量信息。而无法向矢量信息，就无法由程序来判断该分析研究对象上表面还是下表面(或内表面还是外表面)受到的羽流热影响；

(3)该方法在分析抛物面天线时，采用的面积微元为曲面梯形，由于曲面梯形沿着抛物面的顶点成放射状分布，使得远离抛物面顶点的梯形面积越来越大，不再是“微元几何”，这样使得计算微元面积的方法不再适用。即该方法计算得到的整体表面积(无数微元面积的总和)和实际情况不一致，进而影响整体热效应的计算。

发明内容

本发明所解决的技术问题是克服现有10N推力器羽流热影响分析方法的不足，提供一种既可分析形状规则设备，又可分析形状不规则设备所受羽流热影响，并且可判断所研究对象具体表面，并能准确计算得到各个面积微元的面积的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，包括如下步骤：

(1)由待分析对象的三维模型，得到STL格式的数据文件；

(2)根据所要分析的表面，按照法向矢量提取STL数据文件中的有用信息，包括所分析表面每个三角形网格的法向矢量和三个点的空间位置信息，获得三角形网格的总数量，记为n₁；

(3)计算步骤(2)提取出来的三角形网格的面积，从第1个三角形网格i＝1开始执行步骤(4)，直至i＝n₁，记录最终得到的三角形网格数量，记为n₂，转到步骤(5)；

(4)若所分析表面转化成的三角形网格面积较大，则进行插值处理，每个三角形网格每次插值后，三角形网格的总数量增加3；若面积满足要求，则计算下一个三角形网格的面积；

(5)选择可能对待研究对象产生影响的推力器，提取其在卫星机械坐标系下的空间位置信息；

(6)对于数量为n₂的三角形网格，从第一个i＝1开始直至i＝n₂，执行步骤(7)～(11)；

(7)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的距离矢量

(8)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的分布角度κ；

(9)计算羽流场与第i个三角形网格法向矢量的夹角β；

(10)计算每个三角形网格中点处受到的羽流热影响；

(11)计算每个三角形网格受到的羽流热影响；

(12)计算数量为n₂的所有三角形网格受到的热影响。

通过本发明所提出的方法，将至少具有以下效果：

(1)本发明分析的对象，不再局限于能用公式表达的具有规则形状的设备，只要提供三维模型，即可分析其表面受到的羽流热影响；

(2)本发明能够提取STL数据文件自身具有的法向矢量信息，能够通过法向矢量信息屏蔽掉不需要分析的表面；

(3)本发明的微元几何采用的是最简单的多边形一三角形网格的形式，面积计算简单，所有三角形网格的面积之和与研究对象的实际表面积偏差很小；

(4)本发明可以在三维模型所得STL数据的基础上进行插值处理，使得分析的微元几何颗粒度更小，分析结果更接近实际情况；

(5)本发明在计算每一个三角形网格所受到的羽流热影响时，采用的是首先计算三角形网格中心所受到的羽流热影响，从几何均匀性来说，三角形的中心点更能代表整个三角形网格受到羽流热影响的平均值。

附图说明

图1为本发明所涉及方法的流程图；

图2为本发明所用羽流场的模型；

图3为本发明所采用的STL微元几何示意图；

图4为三角形网格插值示意图；

图5为通信天线赋形反射面几何构型；

图6为通信天线赋形反射面STL网格化后的模型；

图7为通信天线赋形反射面所受推力器羽流热影响分布图；

图8为未经处理的太阳翼生成网格；

图9为将图8使用本发明中的插值方法进行6次迭代插值后得到的网格；

图10为将图8使用本发明中的插值方法进行7次迭代插值后得到的网格；

图11为对图10所得网格进行的羽流热影响分析。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明的实施过程。本发明的实施步骤如图1所示，具体介绍如下：

(1)将待分析对象的三维模型，如天线反射面、太阳翼等的Pro/E或CATIA模型转化为STL数据文件；

STL(stereo lithographic)是美国3D System公司1988年开发的用于快速成型制造技术的表面模型数据交换标准。目前，AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks、I-DEAS、CAXA等软件均能输出以STL表示的三维实体模型。

STL数据文件由若干个三角形网格组成，包含了位置信息和法向矢量信息，如图3所示。因为本发明的分析方法参照的均为卫星的机械坐标系，所以在将三维模型转化成STL文件时，须选择基准坐标系为卫星机械坐标系。另外，“弦高”和“角度控制”两个参数应合理设置，使得转化后的STL数据能最大程度反映原对象表面的信息。

(2)提取第i＝1个三角形网格的法向矢量和三个顶点的坐标值，并根据法向矢量判断其是否是要分析的表面，i＝i+1，直至在提取STL文件时遇到“endsolid”标志，即表明到达文件末尾，记录此时的三角形网格的总数量n₁，转到步骤(3)，下面详细介绍此步骤的实现。

首先，提取第i个三角形网格的法向矢量

此矢量是参照卫星机械坐标系的。根据推力器和所研究对象的空间位置关系，可以直观的判断哪些表面是可能受到羽流场热影响的表面。判断依据可以选择三角形网格的三个顶点的坐标值或三角形网格的法向矢量与卫星机械坐标系三个轴的夹角。例如：若选择的分析表面法向与卫星机械坐标系Z轴夹角小于90°，则选择法向矢量

的三角形网格；若选择的分析表面法向与卫星机械坐标系X轴成60度夹角，且只分析纵向坐标大于4000mm以上的部分，则选择法向矢量

且三角形网格顶点坐标的x值大于4000的三角形网格，等等。若不满足判断依据，则不再提取这个三角形网格的三个顶点的位置，跳转到下一个三角形网格；若满足，则记录其三个顶点坐标值(x_i，1，y_i，1，z_i，1)，(x_i，2，y_i，2，z_i，2)，(x_i，3，y_i，3，z_i，3)。

(3)对i＝1的三角形，计算其面积是否大于某值，所述的某值需要根据分析任务的精度确定，若三角形面积大于该值，则进行插值处理；若三角形面积不大于该值，则i＝i+1，重复步骤(3)，直至i＝n₁，记录最终得到的三角形网格数量n₂；

下面详细介绍插值的过程。

为了解决在分析较大面积平面设备时颗粒度太粗、STL数据太少的问题，在原有得到的三角形基础上采用插值的方法，对网格数据进行后期处理。由于每个三角形的法向矢量一致，所以此种处理不会影响分析过程，只是分析数据的颗粒度更小，结果更接近真实值。

图4是本发明采用的简单插值方法，P1、P2、P3为原有网格的顶点，M1、M2、M3为原有网格三条边的中心点。插值后，原有的1个网格变为图4中所示的4个网格，并且4个网格为全等三角形，这样分解后的全部网格的形状和分解前的相似，不会使整个较大面积的平面所得到的三角形网格的相对疏密关系发生变化，且网格的颗粒度更小。

(4)选择可能对待研究对象产生影响的推力器，提取其在卫星机械坐标系下的空间位置信息；

(5)对于数量为n₂的三角形网格，从第一个i＝1开始直至i＝n₂，执行步骤(6)～(10)，步骤(6)～(8)所用到的公式基于如图2所示的羽流场的模型，该模型及羽流热流场的分布函数发表“利用10N推力器羽流试验数据建立羽流场数学模型”(航天控制第23卷第3期2005年)一文中；

(6)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的距离矢量

$\stackrel{\→}{r}=\stackrel{\‾}{P}-{\stackrel{\→}{P}}_{10N}$ ①

式①中，

采用STL数据中每个三角形的中心在卫星机械坐标系下的位置矢量，即：

$\stackrel{\‾}{P}\left(i\right)=(\frac{x_{i,1}+x_{i,2}+x_{i,3}}{3},\frac{y_{i,1}+y_{i,2}+y_{i,3}}{3},\frac{z_{i,1}+z_{i,2}+z_{i,3}}{3})$

为所分析的推力器在卫星机械坐标系下的位置矢量。

(7)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的分布角度κ；

$\mathrm{\κ}=\arccos \left(\frac{\stackrel{\→}{r}\·{\hat{E}}_p}{\left|\stackrel{\→}{r}\right|}\right)$ ②

式②中，

为推力器主轴在卫星机械坐标系下的指向值。

(8)计算羽流场与第i个三角形网格法向矢量的夹角β；

$\mathrm{\β}=\arccos (-\frac{\stackrel{\→}{r}\·{\hat{n}}_p}{\left|\stackrel{\→}{r}\right|})$ ③

式③中，

即为三角形网格的法向矢量

(9)计算每个三角形网格的中点处受到的羽流热影响；

根据双组元推力器羽流热流场分布函数，计算每个三角形网格的中点位置受到的羽流热影响。

(10)计算每个三角形网格受到的羽流热影响；

使用步骤(9)得到的数据，利用式④计算每个网格受到的热影响。

$H\left(i\right)=H\left(i_{\mathrm{mid}}\right)\·\sqrt{p\left(i\right)*(p\left(i\right)-a\left(i\right))*(p\left(i\right)-b\left(i\right))*(p\left(i\right)-c\left(i\right))}$ ④

式④中，H(i_mid)为第i个网格中点受到的羽流热影响，其他几个参数定义如下：

$a\left(i\right)=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2+{(z_i-z_{i+1})}^2}$

$b\left(i\right)=\sqrt{{(x_i-x_{i+2})}^2+{(y_i-y_{i+2})}^2+{(z_i-z_{i+2})}^2}$ ⑤

$c\left(i\right)=\sqrt{{(x_{i+1}-x_{i+2})}^2+{(y_{i+1}-y_{i+2})}^2+{(z_{i+1}-z_{i+2})}^2}$

$p\left(i\right)=\frac{a\left(i\right)+b\left(i\right)+c\left(i\right)}{2}$

(11)计算数量为n₂的所有三角形网格受到的热影响。

实施例1

本实施例采用的分析对象是不需进行网格插值的设备。设定通信天线赋形反射面三维模型及STL网格化后的模型见图5和图6所示。图7为分析结果示意图。热效应影响分析的结果为：最大热流密度为：1.2421kW/m²；最大热流密度作用区域为Point1(X-18.5mm，1470.5mm，4420.5mm)、Point2(X-12.7mm，1473.8mm，4423.0mm)、Point3(X-10.8mm，1463.9mm，4416.9mm)围成的面积为37.6mm²的三角形区域；整个反射面背面受到羽流影响的热容量为174.8W。

若采用中国专利CN201010606039中的方法，建立的模型为标准抛物面，分析得到的最大热流密度为1.1658kW/m²。

从该天线反射面的三维模型可以看出，热流密度最大处为不规则曲面，相比标准抛物面，该处离推力器的距离要近，所以用本发明的方法得出的结果更符合实际情况。

实施例2

本实施例采用的分析对象是需进行网格插值的设备。

图8为未经处理的太阳翼三维模型得到的STL网格。可以看出，太阳翼尽管表面积很大，但是由于其法向矢量单一，仅用图8所示的6个三角形网格即完整的表示了3块太阳翼的表面。这样稀少的数据不能用来分析所受到的羽流热影响。

图9为经过使用本发明中的插值方法进行6次迭代后得到的网格。为了得到更小的网格，继续对图9所示网格进行迭代，得到图10所示网格。图11为对图10所示网格羽流热影响分析的结果。

表1是以图8所示曲面为对象，采用本发明方法和中国专利CN201010606039中的方法进行的分析结果的比较。

表1

Claims (9)

1.一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)由待分析对象的三维模型，得到STL格式的数据文件；

(2)根据所要分析的表面，按照法向矢量提取STL数据文件中的有用信息，包括所分析表面每个三角形网格的法向矢量和三个点的空间位置信息，获得三角形网格的总数量n₁；

(3)计算步骤(2)提取出来的三角形网格的面积，从第1个三角形网格i＝1开始执行步骤(4)，直至i＝n₁，记录最终得到的三角形网格数量n₂，转到步骤(5)；

(4)若所分析表面转化成的三角形网格面积较大，则进行插值处理，每个三角形网格每次插值后，三角形网格的总数量增加3；若面积满足要求，则计算下一个三角形网格的面积；

(5)选择可能对待研究对象产生影响的推力器，提取其在卫星机械坐标系下的空间位置信息；

(6)对于数量为n₂的三角形网格，从第一个i＝1开始直至i＝n₂，执行步骤(7)～(11)；

(7)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的距离矢量

(8)计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的分布角度κ；

(9)计算羽流场与第i个三角形网格法向矢量的夹角β；

(10)计算每个三角形网格中点处受到的羽流热影响；

(11)计算每个三角形网格受到的羽流热影响；

(12)计算数量为n₂的所有三角形网格受到的热影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(1)中，将三维模型转化成STL文件时，所选择的基准坐标系为卫星机械坐标系，合理设置弦高和角度控制两个参数，以使转化后的STL数据最大程度反映原对象表面的信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(2)中，提取第i＝1个三角形网格的法向矢量和三个顶点的坐标值，并根据法向矢量判断其是否是要分析的表面，i＝i+1，直至在提取STL文件时遇到endsolid标志，表明到达文件末尾，记录此时的三角形网格的总数量n₁，转到步骤(3)。

4.根据权利要求3所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是，三角形网格提取的步骤包括：提取第i个三角形网格的法向矢量所述矢量是参照卫星机械坐标系的矢量；以选择的三角形网格的三个顶点的坐标值或三角形网格的法向矢量与卫星机械坐标系三个轴的夹角为判断依据，判断受到羽流场热影响的表面和提取三角形网格三个顶点位置；若不满足判断所述依据，则不再提取这个三角形网格的三个顶点的位置，跳转到下一个三角形网格；若满足所述判断依据，记录其三个顶点坐标值(x_i，1，y_i，1，z_i，1，(x_i，2，y_i，2，z_i，2)，(x_i，3，y_i，3，z_i，3)。

5.根据权利要求4所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是，所述的判断依据：选择的分析表面法向与卫星机械坐标系Z轴夹角小于90°，则选择法向矢量

的三角形网格或选择的分析表面法向与卫星机械坐标系X轴成60度夹角，且只分析纵向坐标大于4000mm以上的部分，则选择法向矢量

且三角形网格顶点坐标的x值大于4000的三角形网格。

6.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(7)中，计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的距离矢量

$\stackrel{\→}{r}=\stackrel{\‾}{P}-{\stackrel{\→}{P}}_{10N}$ ①

式①中，

采用STL数据中每个三角形的中心在卫星机械坐标系下的位置矢量，即：

$\stackrel{\‾}{P}\left(i\right)=(\frac{x_{i,1}+x_{i,2}+x_{i,3}}{3},\frac{y_{i,1}+y_{i,2}+y_{i,3}}{3},\frac{z_{i,1}+z_{i,2}+z_{i,3}}{3})$

为所分析的推力器在卫星机械坐标系下的位置矢量。

7.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(8)中，计算羽流场原点至第i个三角形网格中点的分布角度κ；

$\mathrm{\κ}=\arccos \left(\frac{\stackrel{\→}{r}\·{\hat{E}}_p}{\left|\stackrel{\→}{r}\right|}\right)$ ②

式②中，

为推力器主轴在卫星机械坐标系下的指向值。

8.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(9)中，计算羽流场与第i个三角形网格法向矢量的夹角β；

$\mathrm{\β}=\arccos (-\frac{\stackrel{\→}{r}\·{\hat{n}}_p}{\left|\stackrel{\→}{r}\right|})$ ③

式③中，

即为三角形网格的法向矢量

9.根据权利要求1所述的一种基于STL的通信卫星上10N推力器羽流热效应影响分析方法，其特征是：在所述的步骤(11)中，使用步骤(10)得到的数据，利用式④计算整个网格受到的热影响：

$H\left(i\right)=H\left(i_{\mathrm{mid}}\right)\·\sqrt{p\left(i\right)*(p\left(i\right)-a\left(i\right))*(p\left(i\right)-b\left(i\right))*(p\left(i\right)-c\left(i\right))}$ ④

式④中，H(i_mid)为第i个网格中点受到的羽流热影响，其他几个参数定义如下：

$a\left(i\right)=\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2+{(z_i-z_{i+1})}^2}$

$b\left(i\right)=\sqrt{{(x_i-x_{i+2})}^2+{(y_i-y_{i+2})}^2+{(z_i-z_{i+2})}^2}$

$c\left(i\right)=\sqrt{{(x_{i+1}-x_{i+2})}^2+{(y_{i+1}-y_{i+2})}^2+{(z_{i+1}-z_{i+2})}^2}$

$p\left(i\right)=\frac{a\left(i\right)+b\left(i\right)+c\left(i\right)}{2}.$

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