載人航天器外形C A D模型的快速生成

胡添元，史士臣

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器已經(jīng)逐漸成為人們對(duì)宇宙空間探索的有力工具。載人航天器作為航天器的一種，它能保障航天員在太空生活與工作以執(zhí)行航天任務(wù)并返回地面[1]。

建立三維CAD模型是載人航天器總體設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。雖然這個(gè)階段的外形CAD模型并不需要在每個(gè)細(xì)節(jié)上都非常精確，但也應(yīng)具有足夠的精度，因?yàn)樗鼮楦鲗W(xué)科設(shè)計(jì)提供了一個(gè)統(tǒng)一的外形模型，是各學(xué)科設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。由于在總體設(shè)計(jì)階段需要開(kāi)展多方案比較，載人航天器外形經(jīng)常需要修改，為減少重復(fù)性的建模，提高工作效率，如何將數(shù)字化技術(shù)有效的應(yīng)用于載人航天器總體設(shè)計(jì)[2-4]，快速生成外形參數(shù)化CAD模型成為一個(gè)重要的研究問(wèn)題。

本文以載人航天器作為研究對(duì)象，以CATIA的二次開(kāi)發(fā)作為工具，研究了一種可快速生成載人航天器外形CAD模型的方法。首先提出一種載人航天器三維外形參數(shù)化模型；然后基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的方法，介紹了三維外形參數(shù)化建模的途徑；最后用典型載人航天器外形設(shè)計(jì)作為應(yīng)用例子，驗(yàn)證該方法的適應(yīng)性。

2 載人航天器外形參數(shù)化模型

由于載人航天器內(nèi)部活動(dòng)區(qū)都為密封結(jié)構(gòu)，承受內(nèi)壓，所以各艙段均采用回轉(zhuǎn)體構(gòu)型，即主要由圓柱體、圓錐體和球體組成。

典型載人航天器（如“星辰”號(hào)服務(wù)艙[5]）外形按功能特點(diǎn)可分為對(duì)接艙、服務(wù)艙和推進(jìn)艙三部分，如圖1所示。對(duì)接艙位于最前端，為密封結(jié)構(gòu)，呈球狀體，滿足對(duì)接和停泊要求。服務(wù)艙位于中段，為密封結(jié)構(gòu)，呈大、小圓錐體和圓柱體，滿足乘員長(zhǎng)期駐留要求。推進(jìn)艙位于后端，為非密封結(jié)構(gòu)，呈圓錐體，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、壓氣機(jī)、管路閥門(mén)等推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的安裝要求[6]。

為了建立載人航天器外形參數(shù)化模型，可將外形參數(shù)分為以下兩類(lèi)：

（1）總體輪廓參數(shù)：這些參數(shù)用于描述載人航天器平面外形特征以及太陽(yáng)翼尺寸。

（2）主剖面參數(shù)：這些參數(shù)用于描述載人航天器主要剖面外形特征，其它剖面形狀可由這些主剖面形狀擬合而成。例如，圖1中服務(wù)艙前圓柱段和后圓柱段的剖面就可作為主剖面。描述這些主剖面形狀的參數(shù)就稱為主剖面參數(shù)。

圖1 載人航天器外形平面形狀

2.1 總體輪廓參數(shù)

圖1所示載人航天器外形，其總體輪廓形狀可由以下參數(shù)完整地確定：L1－對(duì)接艙長(zhǎng)；L2－服務(wù)艙前圓錐段長(zhǎng)；L3－服務(wù)艙前圓柱段長(zhǎng)；L4－服務(wù)艙后圓錐段長(zhǎng)；L5－服務(wù)艙后圓柱段長(zhǎng)；L6－推進(jìn)艙長(zhǎng)；L7－太陽(yáng)翼支架長(zhǎng)；L8－太陽(yáng)翼長(zhǎng)；L9－太陽(yáng)翼安裝位置；H1－太陽(yáng)翼寬；h－服務(wù)艙球底高；x0、y0、z0－對(duì)接艙中心點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2 主剖面參數(shù)

對(duì)于載人航天器而言，主剖面形狀一般為圓形。對(duì)于圖1所示載人航天器外形，其主剖面形狀可由以下參數(shù)確定：Φ1－對(duì)接艙直徑；Φ2－服務(wù)艙前圓柱段直徑；Φ3－服務(wù)艙后圓柱段直徑；Φ4－推進(jìn)艙通道直徑。假定服務(wù)艙球底曲線在XOY平面的投影為拋物線，則服務(wù)艙球底曲線方程為：

3 載人航天器三維外形CAD模型

根據(jù)上述外形參數(shù)化模型，應(yīng)用CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)就可在CATIA環(huán)境下快速生成載人航天器三維外形CAD模型。目前，我國(guó)航天器三維建模軟件廣泛采用Pro/E[7-8]，之所以采用CATIA實(shí)現(xiàn)載人航天器外形的CAD建模，原因之一是CATIA在管路設(shè)計(jì)方面具有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且已經(jīng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于新型航天器（如衛(wèi)星）的設(shè)計(jì)；其次，CATIA提供了豐富的三維造型功能，能準(zhǔn)確生成載人航天器的三維外形；另外應(yīng)用CATIA還可計(jì)算出復(fù)雜外形表面面積和體積等幾何特性[9]。

CATIA二次開(kāi)發(fā)是指通過(guò)編程來(lái)訪問(wèn)CATIA對(duì)象的方法。對(duì)于其它程序來(lái)說(shuō)，CATIA只是一個(gè)OLE（Object Linking and Embedding）自動(dòng)化對(duì)象服務(wù)器。任何能訪問(wèn)COM對(duì)象的程序或腳本都能訪問(wèn)CATIA的對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行操作。CATIA二次開(kāi)發(fā)的方法包括兩種：進(jìn)程內(nèi)訪問(wèn)和進(jìn)程外訪問(wèn)。

進(jìn)程內(nèi)訪問(wèn)指腳本和CATIA在同一進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是由CATIA的腳本引擎來(lái)解析執(zhí)行宏腳本命令。進(jìn)程外訪問(wèn)指腳本運(yùn)行不由CATIA來(lái)調(diào)用，CATIA作為一個(gè)OLE自動(dòng)化服務(wù)器，外部程序通過(guò)COM接口來(lái)訪問(wèn)CATIA內(nèi)部的對(duì)象[10]。

本文通過(guò)記錄和修改宏命令，并應(yīng)用VB編程進(jìn)行進(jìn)程外訪問(wèn)以實(shí)現(xiàn)CATIA的二次開(kāi)發(fā)。以下將詳細(xì)介紹生成載人航天器三維外形CAD模型的編程步驟：

（1）建立輸入文件input.txt并輸入第1節(jié)中定義的參數(shù)；

（2）讀入input.txt中的參數(shù)；

（3）繪制對(duì)接艙外形：首先由參數(shù)Φ1繪制球面，然后由參數(shù)L1確定各個(gè)對(duì)接口位置參考平面，最后根據(jù)參考平面切割球面生成對(duì)接艙外形；

（4）繪制服務(wù)艙外形：首先由參數(shù)L2、L3、L4、L5、L6確定各主剖面位置，并由參數(shù)Φ2、Φ3、Φ4確定各主剖面形狀，然后根據(jù)各主剖面位置和形狀拉伸生成曲面，最后由方程（1）生成服務(wù)艙球底曲面，并將該曲面與推進(jìn)艙通道曲面求交，生成服務(wù)艙外形；

（5）繪制推進(jìn)艙外形：首先由參數(shù)L6確定主剖面位置，然后由參數(shù)Φ3確定主剖面形狀，最后拉伸生成推進(jìn)艙外形；

（6）繪制太陽(yáng)翼外形：首先參數(shù)L9確定太陽(yáng)翼的位置，參數(shù)L7確定太陽(yáng)翼支架長(zhǎng)，然后參數(shù)L8確定太陽(yáng)翼長(zhǎng)，參數(shù)H1確定太陽(yáng)翼寬，最后用填充命令生成太陽(yáng)翼外形（另一半太陽(yáng)翼對(duì)稱繪制）。

通過(guò)上述方法完成CATIA二次開(kāi)發(fā)的編程工作，并在input.txt文件中輸入在第1節(jié)中定義的總體輪廓參數(shù)和各主剖面參數(shù)，就可在CATIA環(huán)境中生成載人航天器的三維CAD模型。

4 算例驗(yàn)證

本節(jié)采用不同的載人航天器外形方案對(duì)第1節(jié)提出的外形參數(shù)和第2節(jié)編制的程序進(jìn)行驗(yàn)證。為了驗(yàn)證本文方法的適應(yīng)性，選擇外形參數(shù)不同的三種情況進(jìn)行對(duì)比，三種方案的外形參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種外形方案參數(shù)

第1種是類(lèi)似于星辰號(hào)服務(wù)艙的基準(zhǔn)外形方案；第2種是保持主剖面參數(shù)不變，總體輪廓參數(shù)變大的外形方案；第3種是總體輪廓參數(shù)保持不變，主剖面參數(shù)變大的外形方案。

分別輸入三種總體輪廓外形參數(shù)后，生成的三維外形CAD模型如圖2所示。

圖2 3種方案生成的三維CAD模型

從以上典型的載人航天器外形對(duì)比可以看出，本文提出的建模方法可以建立各種不同外形的載人航天器。

5 結(jié)論

應(yīng)用本文提出的參數(shù)化模型和所開(kāi)發(fā)的程序，只需輸入外形參數(shù)就能快速生成載人航天器三維外形模型。以三類(lèi)典型外形參數(shù)方案為例，證明了該方法的適應(yīng)性。這一工作為今后多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成提供了一個(gè)統(tǒng)一的參數(shù)化幾何模型。 ◇

［1］胡其正，楊芳.宇航概論［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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［3］陳向東，張旺軍，潘艷華.航天器的數(shù)字化總裝設(shè)計(jì)研究［J］.航天器工程，2008，17（6）：64-67.

［4］張國(guó)斌.資源一號(hào)衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)中三維數(shù)字化模型的應(yīng)用［J］.航天器工程，2008，17（增刊）：101-104.

［5］Granda J J，Nguyen L.Alternative Techniques for Developing Dynamic Analysis Computer Models of The International Space Station，Space Shuttle and Orbiter Repair Maneuvers[R].AIAA 2006-2103.

［6］Catherine A.Jorgensen，Editor:International Space Station Evolution Data Book Revision A，NASA/SP-2000-6109/VOL1/REV1，October 2000.

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［10］胡挺，吳立軍.CATIA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.