專利名稱：基于stl的通信衛(wèi)星上10n推力器羽流熱效應影響分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，屬于衛(wèi)星設計技術領域。
背景技術：
衛(wèi)星推力器羽流會影響衛(wèi)星的工作性能和壽命。目前關于衛(wèi)星推力器羽流影響主要集中在干擾力影響分析和熱效應影響分析上，分析方法包括理論計算和對試驗數(shù)據(jù)的擬口 ο
在通信衛(wèi)星布局過程中，應考慮雙組元推力器的噴射羽流對衛(wèi)星表面設備產(chǎn)生的影響。在工程實際中，基于試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)擬合方法已經(jīng)被用來分析由于雙組元推力器沖擊帶來的熱影響和動力學影響，如中國專利CN201010606039所公開的名稱為一種ION推力器羽流場熱效應及動力學效應確定方法。但該方法主要存在以下問題:
(I)該方法所分析的對象是具有規(guī)則形狀，能用公式可以表示的設備，如拋物面天線、柱面天線和太陽翼等，不適合計算形狀不規(guī)則或無法用公式表達的復雜曲面所受到的羽流影響。在通信衛(wèi)星上，有各種形狀不規(guī)則的表面設備，如賦形反射面天線、天線加強筋和天線塔等，前者和理論拋物面反射面不同，后兩者離推力器的距離比天線反射面更近，所以分析表面形狀不規(guī)則的設備受到的羽流熱影響更為必要；
(2)該方法在分析所研究對象受到的羽流熱影響時，輸入的是研究對象的表面形狀標量表達式，只包含空間位置信息，不含法向矢量信息。而無法向矢量信息，就無法由程序來判斷該分析研究對象上表面還是下表面(或內表面還是外表面)受到的羽流熱影響；
(3)該方法在分析拋物面天線時，采用的面積微元為曲面梯形，由于曲面梯形沿著拋物面的頂點成放射狀分布，使得遠離拋物面頂點的梯形面積越來越大，不再是“微元幾何”，這樣使得計算微元面積的方法不再適用。即該方法計算得到的整體表面積(無數(shù)微元面積的總和)和實際情況不一致，進而影響整體熱效應的計算。發(fā)明內容
本發(fā)明所解決的技術問題是克服現(xiàn)有ION推力器羽流熱影響分析方法的不足，提供一種既可分析形狀規(guī)則設備，又可分析形狀不規(guī)則設備所受羽流熱影響，并且可判斷所研究對象具體表面，并能準確計算得到各個面積微元的面積的方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，包括如下步驟:
(I)由待分析對象的三維模型，得到STL格式的數(shù)據(jù)文件；
(2)根據(jù)所要分析的表面，按照法向矢量提取STL數(shù)據(jù)文件中的有用信息，包括所分析表面每個三角形網(wǎng)格的法向矢量和三個點的空間位置信息，獲得三角形網(wǎng)格的總數(shù)量，記為Ii1 ；
(3)計算步驟(2)提取出來的三角形網(wǎng)格的面積，從第I個三角形網(wǎng)格i = I開始執(zhí)行步驟⑷，直至i = H1，記錄最終得到的三角形網(wǎng)格數(shù)量，記為H2，轉到步驟(5)；
(4)若所分析表面轉化成的三角形網(wǎng)格面積較大，則進行插值處理，每個三角形網(wǎng)格每次插值后，三角形網(wǎng)格的總數(shù)量增加3 ;若面積滿足要求，則計算下一個三角形網(wǎng)格的面積；
(5)選擇可能對待研究對象產(chǎn)生影響的推力器，提取其在衛(wèi)星機械坐標系下的空間位置信息；
(6)對于數(shù)量為n2的三角形網(wǎng)格，從第一個i = I開始直至i =n2，執(zhí)行步驟(7) (11);
(7)計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的距離矢量
(8)計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的分布角度κ ；
(9)計算羽流場與第i個三角形網(wǎng)格法向矢量的夾角β ;
(10)計算每個三角形網(wǎng)格中點處受到的羽流熱影響；
(11)計算每個三角形網(wǎng)格受到的羽流熱影響；
(12)計算數(shù)量為η2的所有三角形網(wǎng)格受到的熱影響。
通過本發(fā)明所提出的方法，將至少具有以下效果:
(I)本發(fā)明分析的對象，不再局限于能用公式表達的具有規(guī)則形狀的設備，只要提供三維模型，即可分析其表面受到的羽流熱影響；
(2)本發(fā)明能夠提取STL數(shù)據(jù)文件自身具有的法向矢量信息，能夠通過法向矢量信息屏蔽掉不需要分析的表面；
(3)本發(fā)明的微元幾何采用的是最簡單的多邊形一三角形網(wǎng)格的形式，面積計算簡單，所有三角形網(wǎng)格的面積之和與研究對象的實際表面積偏差很??；
(4)本發(fā)明可以在三維模型所得STL數(shù)據(jù)的基礎上進行插值處理，使得分析的微元幾何顆粒度更小，分析結果更接近實際情況；
(5)本發(fā)明在計算每一個三角形網(wǎng)格所受到的羽流熱影響時，采用的是首先計算三角形網(wǎng)格中心所受到的羽流熱影響，從幾何均勻性來說，三角形的中心點更能代表整個三角形網(wǎng)格受到羽流熱影響的平均值。


圖1為本發(fā)明所涉及方法的流程圖2為本發(fā)明所用羽流場的模型；
圖3為本發(fā)明所采用的STL微元幾何示意圖4為三角形網(wǎng)格插值示意圖5為通信天線賦形反射面幾何構型；
圖6為通信天線賦形反射面STL網(wǎng)格化后的模型；
圖7為通信天線賦形反射面所受推力器羽流熱影響分布圖8為未經(jīng)處理的太陽翼生成網(wǎng)格；
圖9為將圖8使用本發(fā)明中的插值方法進行6次迭代插值后得到的網(wǎng)格；
圖10為將圖8使用本發(fā)明中的插值方法進行7次迭代插值后得到的網(wǎng)格；
圖11為對圖10所得網(wǎng)格進行的羽流熱影響分析。
具體實施方式
下面結合附圖詳細介紹本發(fā)明的實施過程。本發(fā)明的實施步驟如圖1所示，具體介紹如下:
(I)將待分析對象的三維模型，如天線反射面、太陽翼等的Pro/E或CATIA模型轉化為STL數(shù)據(jù)文件；
STL(stereo lithographic)是美國3D System公司1988年開發(fā)的用于快速成型制造技術的表面模型數(shù)據(jù)交換標準。目前，AutoCAD、Pro/E、UG、SolidWorks、1-DEAS, CAXA等軟件均能輸出以STL表示的三維實體模型。
STL數(shù)據(jù)文件由若干個三角形網(wǎng)格組成，包含了位置信息和法向矢量信息，如圖3所示。因為本發(fā)明的分析方法參照的均為衛(wèi)星的機械坐標系，所以在將三維模型轉化成STL文件時，須選擇基準坐標系為衛(wèi)星機械坐標系。另外，“弦高”和“角度控制”兩個參數(shù)應合理設置，使得轉化后的STL數(shù)據(jù)能最大程度反映原對象表面的信息。
(2)提取第i = I個三角形網(wǎng)格的法向矢量和三個頂點的坐標值，并根據(jù)法向矢量判斷其是否是要分析的表面，i = i+Ι，直至在提取STL文件時遇到“endsolid”標志，即表明到達文件末尾，記錄此時的三角形網(wǎng)格的總數(shù)量H1，轉到步驟(3)，下面詳細介紹此步驟的實現(xiàn)。
首先，提取第i個三角形網(wǎng)格的法向矢量足，兄^，此矢量是參照衛(wèi)星機械坐標系的。根據(jù)推力器和所研究對象的空間位置關系，可以直觀的判斷哪些表面是可能受到羽流場熱影響的表面。判斷依據(jù)可以選擇三角形網(wǎng)格的三個頂點的坐標值或三角形網(wǎng)格的法向矢量與衛(wèi)星機械坐標系三個軸的夾角。例如:若選擇的分析表面法向與衛(wèi)星機械坐標系Z軸夾角小于90°，則選擇法向矢量&> O的三角形網(wǎng)格；若選擇的分析表面法向與衛(wèi)星機械坐標系X軸成60度夾角，且只分析縱向坐標大于4000mm以上的部分，則選擇法向矢量X =0.5，且三角形網(wǎng)格頂點坐標的X值大于4000的三角形網(wǎng)格，等等。若不滿足判斷依據(jù)，則不再提取這個三角形網(wǎng)格的三個頂點的位置，跳轉到下一個三角形網(wǎng)格；若滿足，則記錄其二個頂點坐標值(Xi,l，Yi,I Zi,i) (Xi,2，Yi,2 Zi,2) (Xi,3，Yi,3 Zi,3)。
(3)對i = I的三角形，計算其面積是否大于某值，所述的某值需要根據(jù)分析任務的精度確定，若三角形面積大于該值，則進行插值處理；若三角形面積不大于該值，則i =i+Ι，重復步驟(3)，直至i =Ii1，記錄最終得到的三角形網(wǎng)格數(shù)量n2;
下面詳細介紹插值的過程。
為了解決在分析較大面積平面設備時顆粒度太粗、STL數(shù)據(jù)太少的問題，在原有得到的三角形基礎上采用插值的方法，對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行后期處理。由于每個三角形的法向矢量一致，所以此種處理不會影響分析過程，只是分析數(shù)據(jù)的顆粒度更小，結果更接近真實值。
圖4是本發(fā)明采用的簡單插值方法，P1、P2、P3為原有網(wǎng)格的頂點，M1、M2、M3為原有網(wǎng)格三條邊的中心點。插值后，原有的I個網(wǎng)格變?yōu)閳D4中所示的4個網(wǎng)格，并且4個網(wǎng)格為全等三角形，這樣分解后的全部網(wǎng)格的形狀和分解前的相似，不會使整個較大面積的平面所得到的三角形網(wǎng)格的相對疏密關系發(fā)生變化，且網(wǎng)格的顆粒度更小。
(4)選擇可能對待研究對象產(chǎn)生影響的推力器，提取其在衛(wèi)星機械坐標系下的空間位置信息；
(5)對于數(shù)量為n2的三角形網(wǎng)格，從第一個i = I開始直至i =n2，執(zhí)行步驟(6) (10)，步驟(6) ⑶所用到的公式基于如圖2所示的羽流場的模型，該模型及羽流熱流場的分布函數(shù)發(fā)表“利用ION推力器羽流試驗數(shù)據(jù)建立羽流場數(shù)學模型”(航天控制第23卷第3期2005年)一文中；
(6)計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的距離矢量？;
權利要求
1.一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:包括如下步驟: (1)由待分析對象的三維模型，得到STL格式的數(shù)據(jù)文件； (2)根據(jù)所要分析的表面，按照法向矢量提取STL數(shù)據(jù)文件中的有用信息，包括所分析表面每個三角形網(wǎng)格的法向矢量和三個點的空間位置信息，獲得三角形網(wǎng)格的總數(shù)量H1 ; (3)計算步驟(2)提取出來的三角形網(wǎng)格的面積，從第I個三角形網(wǎng)格i= I開始執(zhí)行步驟(4)，直至i = Ii1，記錄最終得到的三角形網(wǎng)格數(shù)量n2，轉到步驟(5)； (4)若所分析表面轉化成的三角形網(wǎng)格面積較大，則進行插值處理，每個三角形網(wǎng)格每次插值后，三角形網(wǎng)格的總數(shù)量增加3 ;若面積滿足要求，則計算下一個三角形網(wǎng)格的面積； (5)選擇可能對待研究對象產(chǎn)生影響的推力器，提取其在衛(wèi)星機械坐標系下的空間位置信息； (6)對于數(shù)量為n2的三角形網(wǎng)格，從第一個i= I開始直至i =n2，執(zhí)行步驟(7) (11); (7)計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的距離矢量F; (8)計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的分布角度K； (9)計算羽流場與第i個三角形網(wǎng)格法向矢量的夾角β； (10)計算每個三角形網(wǎng)格中點處受到的羽流熱影響； (11)計算每個三角形網(wǎng)格受到的羽流熱影響； (12)計算數(shù)量為η2的所有三角形網(wǎng)格受到的熱影響。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(I)中，將三維模型轉化成STL文件時，所選擇的基準坐標系為衛(wèi)星機械坐標系，合理設置弦高和角度控制兩個參數(shù)，以使轉化后的STL數(shù)據(jù)最大程度反映原對象表面的信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(2)中，提取第i = I個三角形網(wǎng)格的法向矢量和三個頂點的坐標值，并根據(jù)法向矢量判斷其是否是要分析的表面，i = i+Ι，直至在提取STL文件時遇到endsolid標志,表明到達文件末尾,記錄此時的三角形網(wǎng)格的總數(shù)量Ii1,轉到步驟(3)。
4.根據(jù)權利要求3所 述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是，三角形網(wǎng)格提取的步驟包括:提取第i個三角形網(wǎng)格的法向矢量足,見,&.，所述矢量是參照衛(wèi)星機械坐標系的矢量；以選擇的三角形網(wǎng)格的三個頂點的坐標值或三角形網(wǎng)格的法向矢量與衛(wèi)星機械坐標系三個軸的夾角為判斷依據(jù)，判斷受到羽流場熱影響的表面和提取三角形網(wǎng)格三個頂點位置；若不滿足判斷所述依據(jù)，則不再提取這個三角形網(wǎng)格的三個頂點的位置，跳轉到下一個三角形網(wǎng)格；若滿足所述判斷依據(jù)，記錄其三個頂點坐標值(Xi,I，Yi,I Zi,l，(Xi,2，Yi,2，Zi,2)，(Xi,3，5^,3，Zi,3)。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是，所述的判斷依據(jù):選擇的分析表面法向與衛(wèi)星機械坐標系Z軸夾角小于90°，則選擇法向矢量& > O的三角形網(wǎng)格或選擇的分析表面法向與衛(wèi)星機械坐標系X軸成60度夾角，且只分析縱向坐標大于4000mm以上的部分，則選擇法向矢量七=0.5，且三角形網(wǎng)格頂點坐標的X值大于4000的三角形網(wǎng)格。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(7)中，計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的距離矢量r ;f = P-PlOJV ① 式①中，P采用STL數(shù)據(jù)中每個三角形的中心在衛(wèi)星機械坐標系下的位置矢量，即:
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(8)中，計算羽流場原點至第i個三角形網(wǎng)格中點的分布角度κ ;
8.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(9)中，計算羽流場與第i個三角形網(wǎng)格法向矢量的夾角β ;
9.根據(jù)權利要求1所述的一種基于STL的通信衛(wèi)星上ION推力器羽流熱效應影響分析方法，其特征是:在所述的步驟(11)中，使用步驟(10)得到的數(shù)據(jù)，利用式④計算整個網(wǎng)格受到的熱影響:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于STL的衛(wèi)星上10N推力器羽流熱效應影響分析方法，屬于衛(wèi)星設計技術領域。本發(fā)明提供一種既可分析形狀規(guī)則設備，又可分析形狀不規(guī)則設備所受羽流熱影響，并且可判斷所研究對象具體表面，并能準確計算得到各個面積微元的面積的方法。采用本方法只要提供三維模型，即可分析其表面受到的羽流熱影響；面積計算簡單，所有三角形網(wǎng)格的面積之和與研究對象的實際表面積偏差小；分析結果更接近實際情況。
文檔編號G01M9/00GK103149005SQ20121019271
公開日2013年6月12日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權日2012年6月13日
發(fā)明者徐春生, 李洋, 夏永泉, 曹鵬 申請人:中國空間技術研究院