Применение вычислительной геометрии в задачах моделирования вращательного движения космических аппаратов

• Автор: Сазонов, Василий Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВЫЧИСЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ ВЕКТОРОВ И ГЛАВНЫХ МОМЕНТОВ СИЛ СВЕТОВОГО ДАВЛЕНИЯ И СИЛ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПОВЕРХНОСТЬ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

1.1. Определение моментов

1.2. Задача удаления невидимых поверхностей

1.2.1. Алгоритм удаления невидимых линий Аппеля

1.2.2. Алгоритм удаления невидимых линий Блинна

1.2.3. Алгоритм Хегера

1.2.4. Алгоритм Балабана 1В

1.2.5. Алгоритм Гудрича

1.2.4. Выводы
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ПОИСКА ОСВЕЩЕННЫХ УЧАСТКОВ МНОГОГРАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОМ СВЕТОВОМ ПОТОКЕ
2.1. Используемые определения и допущения
2.2. Постановка задачи
. Способ решения задачи
2.4. Контурные циклы
2.4.1. Определение контурного цикла
2.4.2. Анализ взаимного расположения контурных циклов двух простых выпуклых тел и сцен, объекты которых нельзя упорядочить по глубине
2.4.3. Затененность котурных циклов
2.4.4. Проектирование освещенных участков контурных циклов на лицевые поверхности объекта
2.5. Описание алгоритма
2.5.1. Организация входных данных
2.5.2. Гй этап отыскание лицевых поверхностей и контурных циклов
2.5.3.2й этап отыскание пересечений проекций контурных ребер
2.5.4. 3й этап нахождение освещенных участков контурных циклов и их проекций на грани объекта 2.5.5.4й этап нахождение освещенных участков поверхностей
2.6. Оценка сложности алгоритма
2.9. Программная реализация алгоритма
2 Выводы
ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УТОЧНЕННОЙ МОДЕЛИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО МОМЕНТА В ЗАДАЧАХ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЕ СПУТНИКОВ ФОТОН
3.1. Математическая модель вращательного движения спутника
3.2. Методика определения движения спутника по измерениям бортовых магнитометров
. Результаты определения вращательного движения
3.4. Выводы
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА ПОИСКА ОСВЕЩЕННЫХ ОБЛАСТЕЙ МНОГОГРАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С СОЛНЕЧНЫМ ПАРУСОМ
4.1. Космический аппарат с солнечным парусом
4.2. Форма паруса и аналитические выражения для главного вектора и главного момента действующих на него сил светового давления
. Численный расчет главного вектора и главного момента
действующих на КА сил светового давления
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Разработанный программный комплекс использовался для моделирования вращательного движения космического аппарата ФотонМ2. Модель основана на динамических уравнениях Эйлера движения твердого тела и учитывает действие на спутник четырех внешних механических моментов гравитационного момента, восстанавливающего аэродинамического момента, момента с постоянными компонентами в связанной со спутником системе координат и момента, возникающего при взаимодействии магнитного поля Земли с собственным магнитным полем спутника. Использование новой геометрической модели для расчета аэродинамического момента повысило точность определения вращательного движения. Разработанный программный комплекс используется для решения задач моделирования вращательного движения аппарата, оснащенного солнечным парусом, и управления им. Для этих задач была специально разработана модель солнечного паруса с подвижными лопастями. Предлагаемый в данной работе алгоритм поиска освещенных участков поверхностей позволил уточнить аналитические формулы для оценки вращательного движения и сделал возможным проведение расчетов в реальном времени, при помощи модели аппарата с высоким уровнем детализации, которая с высокой точностью аппроксимирует поверхность космического аппарата. Структура работы. В первой главе рассматривается задача вычисления главных векторов и главных моментов сил светового давления и сил аэродинамического сопротивления, действующих на космический аппарат произвольной формы. Описывается методика расчетов в случае приближения поверхности космического аппарата многогранником с треугольными гранями. Основная сложность вычислений сил и моментов аэродинамического сопротивления светового давления состоит в поиске участков поверхности аппарата, которые обдуваются воздушным потоком освещены Солнцем. Кроме того, в первой главе приводится обзор существующих методов решения этой задачи. Во второй главе предлагается новый алгоритм поиска освещенных участков многогранных поверхностей в плоскопараллельном световом потоке. Алгоритм основан на анализе взаимного расположения контурных циклов, которые ограничивают области поверхности, содержащие потенциально освещенные грани. Проводится подробный анализ особенностей поверхности и вырожденных случаев, возникающих при ортогональном проектировании контуров. Предложенные методы обработки этих случаев являются частью представленного алгоритма. В работе проведена оценка времени работы каждого из этапов алгоритма и алгоритма в целом. Приведены данные тестовых измерений времени работы алгоритма для моделей различных уровней детализации. Третья глава посвящена применению разработанного программного комплекса для моделирования вращательного движения корабля ФотонМ2, который совершал полет с . Описана технология моделирования и приведены данные расчетов режимов вращательного движения аппарата на временном отрезке в 0 минут, на котором вращательное движение аппарата было неуправляемым. Результаты расчетов показывают, что использование новой геометрической модели поверхности космического аппарата позволило в некоторых случаях уменьшить ошибку определения параметров движения на . Четвертая глава посвящена применению разработанного программного комплекса для решения комплекса задач определения вращательного движения аппарата, оснащенного солнечным парусом и управления им. Производится проверка полученных ранее аналитических формул для значений сил и моментов светового давления и находятся интервалы для параметров на которых эти формулы справедливы. Основные результаты опубликованы в четырех печатных работах 5, 6, 7 и 8. Глава 1. Влияние этих двух сил на движение космического аппарата существенно, а в некоторых случаях является определяющим. Поэтому для построения адекватной математической модели движения космических аппаратов необходимо учитывать влияние этих сил и уметь их вычислять. Необходимо также уметь вычислять моменты этих сил относительно центра масс спутника. Пусть некоторый космический аппарат движется в пространстве со скоростью V. Построим плоскость П, перпендикулярную этому вектору рис. П, а 5. Рис.