载人航天器外形C A D模型的快速生成

胡添元，史士臣

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

1 引言

随着科学技术的发展，航天器已经逐渐成为人们对宇宙空间探索的有力工具。载人航天器作为航天器的一种，它能保障航天员在太空生活与工作以执行航天任务并返回地面[1]。

建立三维CAD模型是载人航天器总体设计中的一个重要环节。虽然这个阶段的外形CAD模型并不需要在每个细节上都非常精确，但也应具有足够的精度，因为它为各学科设计提供了一个统一的外形模型，是各学科设计工作的基础。由于在总体设计阶段需要开展多方案比较，载人航天器外形经常需要修改，为减少重复性的建模，提高工作效率，如何将数字化技术有效的应用于载人航天器总体设计[2-4]，快速生成外形参数化CAD模型成为一个重要的研究问题。

本文以载人航天器作为研究对象，以CATIA的二次开发作为工具，研究了一种可快速生成载人航天器外形CAD模型的方法。首先提出一种载人航天器三维外形参数化模型；然后基于CATIA二次开发的方法，介绍了三维外形参数化建模的途径；最后用典型载人航天器外形设计作为应用例子，验证该方法的适应性。

2 载人航天器外形参数化模型

由于载人航天器内部活动区都为密封结构，承受内压，所以各舱段均采用回转体构型，即主要由圆柱体、圆锥体和球体组成。

典型载人航天器（如“星辰”号服务舱[5]）外形按功能特点可分为对接舱、服务舱和推进舱三部分，如图1所示。对接舱位于最前端，为密封结构，呈球状体，满足对接和停泊要求。服务舱位于中段，为密封结构，呈大、小圆锥体和圆柱体，满足乘员长期驻留要求。推进舱位于后端，为非密封结构，呈圆锥体，满足发动机、推进剂储箱、压气机、管路阀门等推进系统设备的安装要求[6]。

为了建立载人航天器外形参数化模型，可将外形参数分为以下两类：

（1）总体轮廓参数：这些参数用于描述载人航天器平面外形特征以及太阳翼尺寸。

（2）主剖面参数：这些参数用于描述载人航天器主要剖面外形特征，其它剖面形状可由这些主剖面形状拟合而成。例如，图1中服务舱前圆柱段和后圆柱段的剖面就可作为主剖面。描述这些主剖面形状的参数就称为主剖面参数。

图1 载人航天器外形平面形状

2.1 总体轮廓参数

图1所示载人航天器外形，其总体轮廓形状可由以下参数完整地确定：L1－对接舱长；L2－服务舱前圆锥段长；L3－服务舱前圆柱段长；L4－服务舱后圆锥段长；L5－服务舱后圆柱段长；L6－推进舱长；L7－太阳翼支架长；L8－太阳翼长；L9－太阳翼安装位置；H1－太阳翼宽；h－服务舱球底高；x0、y0、z0－对接舱中心点坐标。

2.2 主剖面参数

对于载人航天器而言，主剖面形状一般为圆形。对于图1所示载人航天器外形，其主剖面形状可由以下参数确定：Φ1－对接舱直径；Φ2－服务舱前圆柱段直径；Φ3－服务舱后圆柱段直径；Φ4－推进舱通道直径。假定服务舱球底曲线在XOY平面的投影为抛物线，则服务舱球底曲线方程为：

3 载人航天器三维外形CAD模型

根据上述外形参数化模型，应用CATIA二次开发技术就可在CATIA环境下快速生成载人航天器三维外形CAD模型。目前，我国航天器三维建模软件广泛采用Pro/E[7-8]，之所以采用CATIA实现载人航天器外形的CAD建模，原因之一是CATIA在管路设计方面具有其自身独特的优势，并且已经开始逐渐应用于新型航天器（如卫星）的设计；其次，CATIA提供了丰富的三维造型功能，能准确生成载人航天器的三维外形；另外应用CATIA还可计算出复杂外形表面面积和体积等几何特性[9]。

CATIA二次开发是指通过编程来访问CATIA对象的方法。对于其它程序来说，CATIA只是一个OLE（Object Linking and Embedding）自动化对象服务器。任何能访问COM对象的程序或脚本都能访问CATIA的对象并对其进行操作。CATIA二次开发的方法包括两种：进程内访问和进程外访问。

进程内访问指脚本和CATIA在同一进程内运行。简单的说，是由CATIA的脚本引擎来解析执行宏脚本命令。进程外访问指脚本运行不由CATIA来调用，CATIA作为一个OLE自动化服务器，外部程序通过COM接口来访问CATIA内部的对象[10]。

本文通过记录和修改宏命令，并应用VB编程进行进程外访问以实现CATIA的二次开发。以下将详细介绍生成载人航天器三维外形CAD模型的编程步骤：

（1）建立输入文件input.txt并输入第1节中定义的参数；

（2）读入input.txt中的参数；

（3）绘制对接舱外形：首先由参数Φ1绘制球面，然后由参数L1确定各个对接口位置参考平面，最后根据参考平面切割球面生成对接舱外形；

（4）绘制服务舱外形：首先由参数L2、L3、L4、L5、L6确定各主剖面位置，并由参数Φ2、Φ3、Φ4确定各主剖面形状，然后根据各主剖面位置和形状拉伸生成曲面，最后由方程（1）生成服务舱球底曲面，并将该曲面与推进舱通道曲面求交，生成服务舱外形；

（5）绘制推进舱外形：首先由参数L6确定主剖面位置，然后由参数Φ3确定主剖面形状，最后拉伸生成推进舱外形；

（6）绘制太阳翼外形：首先参数L9确定太阳翼的位置，参数L7确定太阳翼支架长，然后参数L8确定太阳翼长，参数H1确定太阳翼宽，最后用填充命令生成太阳翼外形（另一半太阳翼对称绘制）。

通过上述方法完成CATIA二次开发的编程工作，并在input.txt文件中输入在第1节中定义的总体轮廓参数和各主剖面参数，就可在CATIA环境中生成载人航天器的三维CAD模型。

4 算例验证

本节采用不同的载人航天器外形方案对第1节提出的外形参数和第2节编制的程序进行验证。为了验证本文方法的适应性，选择外形参数不同的三种情况进行对比，三种方案的外形参数见表1。

表1 3种外形方案参数

第1种是类似于星辰号服务舱的基准外形方案；第2种是保持主剖面参数不变，总体轮廓参数变大的外形方案；第3种是总体轮廓参数保持不变，主剖面参数变大的外形方案。

分别输入三种总体轮廓外形参数后，生成的三维外形CAD模型如图2所示。

图2 3种方案生成的三维CAD模型

从以上典型的载人航天器外形对比可以看出，本文提出的建模方法可以建立各种不同外形的载人航天器。

5 结论

应用本文提出的参数化模型和所开发的程序，只需输入外形参数就能快速生成载人航天器三维外形模型。以三类典型外形参数方案为例，证明了该方法的适应性。这一工作为今后多学科设计优化集成提供了一个统一的参数化几何模型。 ◇

［1］胡其正，杨芳.宇航概论［M］.北京:中国科学技术出版社，2010.

［2］陈月根.航天器数字化设计技术的新趋势分析［J］.航天器工程，2007，16（4）：64－69.

［3］陈向东，张旺军，潘艳华.航天器的数字化总装设计研究［J］.航天器工程，2008，17（6）：64-67.

［4］张国斌.资源一号卫星机械总体设计中三维数字化模型的应用［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.

［7］朱光辰，魏鹏威，侯向阳，等.提高航天器管路总装效率的技术途径研究［J］.航天器工程，2009，18（4）：78-83.

［8］王志军.基于Pro／E软件的卫星三维建模方法的探讨［J］.航天器工程，2007，16（4）：46-50.

［9］胡添元，余雄庆.基于参数化CAD模型的飞行器气动/隐身一体化设计［J］.宇航学报，2009，30（1）：123－127.

［10］胡挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础［M］.北京:电子工业出版社，2007.