В процессе проектирования крупногабаритных космических конструкций (КГКК) важную роль занимает геометрическое моделирование, которое используется как на этапах проектирования , так и при разработке конструкторской документации. Геометрическое моделирование позволяет существенно упростить этап макетирования, согласование взаимодействия различных конструкций и их элементов и, соответственно, снизить затраты на проведение макетирования.
Геометрическое моделирование традиционно используется во многих областях машиностроения. В случае моделирования для космической техники появляются специфические требования, например по габаритам, связанные с особенностями доставки конструкций, с перемещением внутри орбитальной станции (ОС) , с работами космонавта с КГКК в условиях космического пространства в скафандре и т.д.
Процесс развертывания КГКК– ответственная, строго регламентированная операция с участием космонавтов. Перед полетом космонавты проходят тренировки с физическими моделями конструкций. Однако, за время длительного полета приобретенные навыки теряются и их необходимо восстанавливать. Для этой цели предлагается на основе геометрической моделирования создать специальный обучающий компьютерный фильм [1] с управляемой последовательностью действий. Этот фильм даст возможность воссоздать все этапы развертывания конструкции в соответствие с регламентом.
Поставленная задача решалась с использованием комплекса программных средств Графика-81-3D [2], разработанного в Институте проблем управления (ИПУ) РАН.
Предварительное моделирование конструкции
Целью предварительного моделирования является разработка стержневой конструкции, описание и отладка кинематического механизма раскрытия секций. Для этой цели используется проволочное представление геометрической модели, а также поименованные блоки и проволочный редактор. Законы перемещения задаются языковыми средствами.
На рис. 1 показано в четырех проекциях исходное состояние одной секции. Фиолетовым цветом показаны диафрагмы, красным – диагонали, а черным – И-образные панели.
При раскрытии показанной на рис. 2 секции нижняя диафрагма остается неподвижной. Перемещаются средняя и верхняя диафрагмы.
Развертывание секции осуществляется сложным движением (рис. 3) специального механизма. Перемещения выделенного зеленым цветом ползуна приводят к перемещениям показанных красным – диагоналей. Ползун движется вдоль средней диафрагмы. Это движение вызывает повороты нижних панелей вокруг неподвижных нижних осей, а верхних панелей– вокруг осей перемещающейся вверх верхней диафрагмы. Одновременно с верхней диафрагмой перемещается и средняя вместе с механизмом развертывания.
Поворот панелей осуществляется на угол 900. Секция принимает вертикальное положение (рис. 4) и этап ее развертывания на этом заканчивается. Затем развертывается следующая секция, а вместе с ее верхней диафрагмой поднимается предыдущая секция. Так ,секция за секцией, развертывается вся конструкция.
Для моделирования процесса развертывания необходим закон движения механизма, вызывающего перемещения панелей, диагоналей, а также смещение диафрагм. Управляющим параметром является перемещение ползуна, а управляемыми – повороты панелей и диагоналей и смещение диафрагм. Так как секция симметрична, то достаточно получить перемещение средней диафрагмы. Верхняя диафрагма перемещается вверх в два раза быстрее. Иллюстрация закона движения представлена на рис. 5, а текст программы приведен ниже:
Программа обеспечивает вычисление координат двух точек пересечения траекторий: Т3 иТ4. ТочкаТ3 определяет смещения верхней диафрагмы при условии, что средняя диафрагма закреплена. Положения нескольких точек Т3 для разных значений смещения ползуна показаны на рис. 6 синим цветом. Вычисленные таким образом точки смещения позволяют определить все параметры движения диафрагм, панелей и диагоналей и их повороты.
Из рисунка хорошо видна неравномерность вертикального движения диафрагмы и наличие мертвой зоны в начальный момент раскрытия секции. Эти особенности конструкции били учтены при проектировании механизма развертывания.
Геометрические модели конструкций
Для моделирования процесса развертывания помимо моделей 4-х секций необходима модель механизма развертывания, с помощью которой космонавты осуществляют трансформирование фермы. Модель механизма вместе с моделью одной секции в разобранном виде приведена на рис.7.
Детали секции и механизма выделены на рис.7 следующими цветами:
Кроме механизма развертывания моделируются транспортные фиксаторы и крепежные винты. Перед развертыванием каждой секции два фиксатора должны быть освобождены, а после развертывания каждая секция – зафиксирована в вертикальном положении двумя крепежными винтами.
На орбитальной станции "Мир" "Ферма-3" монтируется на специальной платформе, на которой до этого уже были установлены две фермы: "Софора" и "Рапана". Геометрическая модель платформы включает также все установочно-монтажные элементы.
Все геометрические модели представляют собой модели тел, ограниченных поверхностями. Для создания моделей привлекался механизм проволочного, 2,5 – мерного моделирования и булевы операции.
Создание компьютерного фильма
 |
| Рис. 8 |
 |
| Рис. 9 |
Для переустановки фермы "Рапана" необходимо провести ее демонтаж и временное закрепление (Рис.9).
КГКК "Ферма -3" состоит из четырех секций. Анимация каждой секции представляет собой последовательность действий: установка механизма развертывания; расфиксация секции; развертывание; фиксация развернутой секции.
Каждое действие с учетом требуемого времени воспроизведения разбивается на определенное количество шагов и представляет собой процедуру. Процедуры состоят из одного или двух циклов. В каждый цикл входят изменения положения деталей и узлов и запись кадров фильма. Например, процедура развертывания состоит из одного цикла перемещения двух механизмов, так как они должны перемещаться синхронно, а фиксация секции – из двух циклов перемещения винтов, так как они устанавливаются последовательно.
Рис. 10 содержит отдельные кадры второй части фильма по развертыванию фермы: а) транспортировка укладки; б) подвод механизма развертывания; в) освобождение транспортных фиксаторов; г) раскрытие первой секции;
Компьютерный фильм создавался средствами языкового описания с использованием переменных разных типов и редактора моделей тел. Для отображения кадров использовался алгоритм формирования растрового изображения со сглаживанием полутонов.
В качестве примера такого описания ниже приводится фрагмент программы для создания кадров облета платформы:
Окончательный вид платформы показан на рис. 11. Модель платформы изображена вместе с моделью станции "Мир". На переднем плане показана развернутая "Ферма – 3", а также ферма "Рапана" и "Софора".
Заключение
В результате проведенной работы специалистами ИПУ РАН и РКК "Энергия" были созданы геометрические модели и компьютерный фильм для демонстрации работ по монтажу конструкции "Ферма-3" на наружной поверхности станции "Мир". Результаты работы использовались при конструировании КГКК , для обучения и тренировки космонавтов. Копия компьютерного фильма была доставлена на ОС "Мир" для использования на бортовом компьютере при подготовках экипажа к работам с конструкцией "Ферма-3".
В качестве рабочего инструмента для создания геометрических моделей и компьютерной анимации использовалось программное обеспечение отечественного комплекса Графика-81.
Литература
CIR,PR,T1,C1 траектория вращения панели CIR,PR,T2,C2 траектория вращения диагонали * КОЛИЧЕСТОВО ШАГОВ ПОЛЗУНА DEF C10=C присвоения количества шагов DEF C4=C3/C10 вычисление шага смещения DO LABLE,11,1,C10 начало цикла движения EDPR,MV,@,C4,0,0,0,0,0,2 смещение траектории диагонали EDPR,CR,@,2,3,4,0,0,0,1,2 вычисление координат пересечения Т3,Т4 :LABLE конец цикла VISI POIN,1,2,3 задать точку наблюдения ZOOMALL размесить изображение во весь экран LIGH 1,1,1 указать направление света DO LABL 1,1,36 выполнить цикл до метки LABL по C1 от 1 до 36 CLR стереть экран SHAD создать кадр DEFS NUMB,|,C1 определить символьную переменную "|" WSCR CADR| записать изображение в файл "CADR"&"|" EDI3 RY,,10 повернуть всю модель на 10 градусов вокруг оси Y : LABL метка цикла