החללית המודרנית היא בין המערכות המכאניות המורכבות ביותר שנבנו אי פעם.הם חייבים לשרוד את הרטטים האלימים של ההשקה, לפרוס נספחים עדינים בוואקום של החלל, לשמור על אוריינטציה מדויקת תוך מקיפים, ולעתים לעגון עם כלי רכב אחרים או אדמה על עולמות אחרים.כל אחד משלבים אלה כרוך בתנועות ובאינטראקציה של רכיבים משותפים באופן בטוח - מערךים, אנטנה, זרועות רובוטיות, דרעיפיית, ודרונות, רגליים, ודחף בתוך הדינמיקה של מודלים גמישים של תאים מתחומים אלה.

הבנה של Multibody Dynamics

בליבתו, דינמיקות רב-גוף הוא המחקר של איך אוסף של גופים – כל אחד עם מסה ו אינרציה – קרוב זה לזה תחת כוחות ומגבלות יישומיים. גוף נוקשה אחד בחלל יש שישה מעלות של חופש: שלושה תרגומים ושלוש סיבוביות. כאשר שני גופים מחוברים על ידי משותף (למשל, תנופה מחודשת עבור פאנל סולארי), מערכת של מספר דרגות חופש מופחתים עם מספר משוואות משולבות עם מספר רב של תאים משותפים, יכול להיות בעל מספר רב של קומפונקציה אופיינית של מספר רב של מערכת יחסים עם מספר רב של מערכת יחסים עם מספר רב של מערכת יחסים אופיינית, כמו גם עם מספר רב-מערכת יחסים עם מספר רב של מערכת יחסים אופיינית, כמו גם עם מספר רב של מערכת יחסים עם מספר רב של מספר רב של מערכת יחסים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב של מערכת יחסים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מספר רב-מפרקים עם מערכת הפעלה של מערכת יחסים עם מספר רב-בתים, אשר יכול להיות מסובכים עם מספר רב-מפרקים, כמו גם עם

המשוואות השלטוניות נגזרות ממכניקת ניוטון-אלגרנגיאן, לעתים קרובות מוטלות כמערך של משוואות דיפרנציאליות (DAEs) בגלל המגבלות.עבור יישומים רבים של חלליות, הגופים בתחילה מניחים קשיחים, אך כאשר מבנים הופכים גדולים וקלים יותר, השפעות גמישות לא ניתן להתעלם.

תוכנת סימולציה רב-גוף מודרנית (כגון Simpack, ADAMS, או MATLAB / Simscape Multibody) מאפשרת למהנדסים לבנות אבטיפוס וירטואלי של חלליות שלמות.מודלים אלה יכולים לכלול חיכוך במפרקים, לחות ממנגנונים פרוסים, התנהגות לא לינארית הפעלה, ואפילו מגע / פשטות במהלך העגינה או הנחיתה.

הצורך בדוגמת רב-גוף מדויקת גדל עם המורכבות של משימות אחרונות.התוכנית של טלסקופ החלל ג'יימס ווב, ירידת השמיים של מאדים, ירידת השמיים של הרפס, ופעולות הזרוע הרובוטיות של תחנת החלל הבינלאומית נשענות רבות על סימולציות מרובות של גוף כדי לאשר כי מנגנונים יפעלו כמכווועדים בסביבה הלא סלחנית.

יישומים מרכזיים בעיצוב Spacecraft

ניתוח מבני וחלוקת מכניזם

אחד השימושים הנפוצים ביותר של דינמיקות רב-גוף הוא הסימולציה של מבנים הניתנים לפרוס. פאנלים סולאריים, רפלקטים אנטנה, רדינרים וכליים מקודדים במהלך ההשקה וחייב לפרוס באופן אמין על מסלול.רצף הפריסה כרוך במספר מפרקי hing או מזחלות, לעתים קרובות מונעים על ידי מעיינות, מנועים, או מעצבי פעולה של מעצבי צורה.

מודל נאמנות גבוה יכלול לא רק את התנועה של כל פאנל, אלא גם את הגמישות של הלוח עצמם - במיוחד חשוב עבור מערך גדול כמו אלה בתחנת החלל הבינלאומית (ISS), שהם מאות מטרים ארוכים. הסימולציות חייבות ללכוד את העומסים הטרנסנדנטליים במהלך מחזורי ה- latch-up (כאשר לוחצים) ואת העומסים הבאים יכול להיות משמעותי מספיק כדי להזיק ל hhhhs או אלקטרונים כראוי עבור מחזורי דם רבים.

עבור משימות הדורשות דיוק קיצוני, כגון טלסקופי אסטרונומיה רדיו, אפילו מיקרו-דהפורציות של המבנה יכול לפענוח ביצועים. מודלים של Multibody יחד עם FEA מבנית מאפשרים למהנדסים לעצב אסטרטגיות פיצוי, כגון שליטה באמצעות ממריצים כדי להתאים את צורת המשקף.

בקרת בטיחות ויציבות

שמירה על הכיוון של החללית - הגישה שלה - חיונית עבור מכשירים מצביעים, תקשורת עם כדור הארץ, וניהול עומסים תרמיים. גלגלי תגובה, הרגע השליטה של הרגע ג'ירו (CMGs), ודחפורים הם המנהגים העיקריים, כל אחד מהם מפעיל מומנטים על אוטובוס החללית.עם זאת, חללית היא לעתים רחוקות גוף נוקשה מושלם.

דינמיקת Multibody מאפשרת למהנדסים לעצב את האינטראקציה בין האוטובוס הקשיח לבין מרכיבים גמישים.לדוגמה, כאשר גלגל התגובה מסתובב, הרוטב שלו הוא גוף נוקשה רוטטטיבי מתפתל אל החללית באמצעות נושאים ואת מבנה התמיכה של הגלגל.אם הגלגל אינו מאוזן לחלוטין (בגלל סובלנות ייצור או עיוות תרמי), הוא מציג הפרעה ל-Ricque כי יכול להמריץ מצבים גמישים של המערך הסולארי הידוע, כגון: "מתיקים" (Ricemericericer) של מערכות הפעלה אופטית" (R) או "מתאים" (Ricemergeergeerating" (R) של עיצובית" (Ricemerives) הוא סימולציה פעילה של מערכות אופטית) הוא יעיל של פורמטים של תפקוד אופטית של פורמטים של פורמטים) או עיוותים של פורמטים של סימולציה אופטית של פורמטים של סימולציה אופטית של מערכות אופטית של תפקודים (R) הוא סימולציה אופטית של פורמטים) או עיוותים, או עיוותים, או עיוותים של פורמטים של פורמטים, או עיוותים, או עיוותים, או עיוותים, או עיוות של סימולציה אופטית של סימולציה אופטית של פורמטים, או עיוותים, או עיוותים

תרחיש קריטי נוסף הוא הפריסה של נספח גדול, כגון אנטנה מכ"ם על לוויין ריגול.השינוי הפתאומי ב-Inertia Tenor של החללית יכול לגרום הפרעות גישה שיש להתמודד על ידי מערכת הבקרה.סימול הדינמיקה הגמישה המשולבת ואת לולאה הבקרה (לעתים קרובות בגימולציה משותפת עם Simulink או Dymola) מבטיח כי החוק לשלוט נשאר יציב לאורך כל הפריסה.

נחיתה וירידה פלנטרית מסתמכת גם על שליטה בגישה רב-גוף.לדוגמה, במהלך תמרון "סקי crane" של מאדים 2020, שלב הירידה של החללית הוריד את ה- tethers - מערכת רב-גוף של שלושה גופים (שלבים גדולים, rover ו-tether) הסימולציה הייתה צריכה לחזות את הדינמיקה של ה-tether, את התנועה היחסית של כלי הרכב תחת שינוי כזה.

מניפולטורים רובוטיים ודוק

חללי לעתים קרובות לשאת נשק רובוטי למשימות כמו לכידת לווינים, מבנים מתעבים, או פריסת מכשירים.ה- Canadarm2 על ISS הוא דוגמה ראשית.מניפולטורים אלה הם מערכות מרובות-גוף עם מפרקים מרובים, כל אחד עם המנועים שלו, הבלמים והחיישנים שלו.הדינמיקה העיקרית היא מאתגרת כי הבסיס של הזרוע (ISS) הוא עצמו וגמישות, כאשר הדינמיקה העליונה של מערכת "מתחת" (או" (או "מתחת" (מערכת מגע" (או" (או" (מערכת יחסים) היא בעלת השפעה "מתחת" (או" (או" (או "מתחת" (מערכת יחסים בין-" (ממשקים) היא בעלת השפעה) היא עצמה ו" (או "מתחת" (או "מתחת" (או "מתחת" (או" (או" (או "אפקטים) היא בעלת השפעה") היא עצמה, "מתחת" (ממשקים) היא בעלת השפעה") היא עצמה ו" (או "מתחת" (ממשקים) משולבת) היא עצמה ו" (או "מתחת" (או "מתחוחזקת" (או "מתחת" (או אידיאולוגית" (או "אפקטים) היא

מודלים חייבים ללכוד את הגמישות של הקישורים של הזרוע (על מנת להימנע מרטטים שעלולים לפגוע בעומס) ואת החיכוך הלא ליניארי במפרקים (אשר משפיע על מיקום בסדר) אלגוריתמים בקרה, כגון בקרת תאימות מבוססת כוח / מנקה, נבדקים באופן נרחב באמצעות סימולציות מרובות גוף לפני שכל חומרה בנויה.עבור משימות עתידיות כמו על לוויינים, גוף רב-גוף יהיה חיוני לדינמיקה של תהליך הסגידה, כולל לוכדת, כולל לוכדת, כולל לוכדת, כולל לוכדת, לוכדת, .

דייטינג – תהליך של שני חלליות המקשרות פיזית – הוא אזור רב-גוף עשיר יותר.מנגנון העגינה עצמו הוא מערכת רב-גוף עם latches, זעזועים ומדריכים. במהלך מגע, כוחות יכולים להיות גבוהים מאוד, ואת התגובה המבנית יש לאמת.הפרויקט מבחן אפולו-סויוז, מעבורת החלל מעגינה, ועכשיו קפסולות מסחריות כמו Dragons הכל על רב-גופי סימולציה בטוחה, כדי להבטיח סימולציה בטוחה, כדי להבטיח סימולציה בטוחה, לחזור על פני השטח.

מערכות נחיתה וירידה

קרקעות פלנטריות חייבות לשרוד את המגע על פני השטח הלא ידוע.ההילוך הנחיתה - חתומות עם הוספת דבש מחוספס, סופגנים זעזועים ועמודי רגל - היא מערכת רב-גוף שצריכה לספוג את האנרגיה המשפיעה ולשמור את השמיים זקוף.מודלים של הקרקע עם רגליים גמישות ואוטובוס גוף נוקשה יכולים לדמיע במהירויות שונות, מדרונות, ונוקשות אלה שימשו עבור סימולציה אווירית מורכבת (מערכת גוף), אך ורקדבנים אווירית (אורד), אך ורק לאחרונה).

עבור משימות החזרה מדגם, תהליך איסוף חומר משטח - עם זרוע רובוטית או תרגיל - כולל גם דינמיקת מגע רב-גוף.האינטראקציה בין כלי דגימה לבין הregolith היא בעיה רב-פיזיקה מאתגרת, אבל דינמיקה רב-גוף מספקת את המסגרת לשלב מודלים מגע (כמו מגע הרץי או מודלים קרקעיים כפייתיים) וחיזוי העומסים על המבנה.

כלי סימבול ושיטות

(המהנדסים) משתמשים במגוון כלי קוד מסחריים ופתוחים לרשותם.

זרימת העבודה הטיפוסית מתחילה עם יצירת מודל CAD של כל רכיב, ולאחר מכן הגדרת המאפיינים ההמוניים והמפרקים. עבור גופים גמישים, המהנדס ייצוא נתונים מודולליים מניתוח סופי של יישום (למשל, Nastran או Abaqus) וייבוא אותו לתוך התוכנה הרב-body.הסימולציות לאחר מכן פותר את משוואות התנועה לתריש מסוים - deoyment מעל 10 שניות, או מסלול קבוע ל-Ring, ל- 200 שניות.

אימות הוא קריטי.סימציה תוצאות משווים נתונים ניסיוניים מבדיקות קרקעיות.עבור מנגנוני פריסה, מהנדסים משתמשים לעתים קרובות במתקן "יבוי ניטראלי" או שולחנות נושאי אוויר עד אפס-גרביטציה, אם כי שניהם יש מגבלות.עבור גישה, הם משתמשים בטבלאות ספין או בדיקות ירידה חופשית.המודלים מכווצים ומעודנים עד שהמתים בתוך שולי רווח - באופן מזערי 5-10% לעומסים.

יתרונות ואתגרים

היתרונות של יישום דינמיקות רב-גוף בעיצוב חלליים הם משכנעים:

  • (FLT:0) ,העלות של פיתוח ולוח הזמנים: אבטיפוס וירטואליים מאפשרים למהנדסים להחריד ולייעל מבלי לבנות מספר רב של לעג גופני.
  • (FLT:0) בטיחות ואמינות: FIRLT:1 על ידי הדמיה של תרחישים הגרועים ביותר (למשל, צמיד תקוע, תקלה דחף), מהנדסים יכולים לעצב מנגנונים לא בטוחים וחוקי בקרה חזקים.
  • (FLT:0) ביצועים מבוימים: FLT:1mia מודלים לעזור לסחור מסה, נוקשות, ופעולה מחלחלת.לדוגמה, הם יכולים לקבוע את העומס האידיאלי באביב hinge כדי להבטיח נסיעה מומנט הוא מספיק אך לא מוגזם, מצמצם עומסי הלם.
  • (FLT:0) תובנות להתנהגות ברמת המערכת: FIRLT:1 הפיכה בין תת-מערכות (בניות, בקרה, תרמי) ניתן ללמוד בסימולציה משולבת, לחשוף התנהגויות גלויות כי יתפספסו בניתוח של כל תת-מערכת בבידוד.

(ב) יש אתגרים (FLT:0) מורכבות מנדל 1 (Model Complexcioph: 1) גדל במהירות; מודל חלל מלא עשוי להיות אלפי דרגות של חופש אם כל מצבי גמישות כלולים.

כיוונים עתידיים

התפקיד של דינמיקות רב-גוף בעיצוב חללי יגדל רק כאשר משימות הופכות שאפתניות יותר.

  • (FLT:0) בזמן אמת וחומרה-ב-the-loop (HIL) סימולציה: ⁇ FLT:1 ככל שהמעבדים הופכים מהירים יותר, זה אפשרי להפעיל מודלים רב-גוף בזמן אמת עבור אימון המפעילים ולבדיקת מחשבי טיסה אמיתיים.זה כבר נעשה עבור פעולות זרוע רובוטיות על ISS ועל סימולטורים מעוקלים.
  • (FLT:0 â ¢ דינמיקה רב-גוף רב-גוף עבור מבנים גדולים מאוד: איורים 1:1 כמו לווייני כוח סולארי חלל וטלסקופים גדולים (למשל, LUVOIR) יהיו מבנים מאות מטרים מעבר.מודל פריסה, צורה שליטה, ודינמיקה הגישה עם דינמיקה עם רב-גוף גמיש לחלוטין יהיה חיוני.
  • (FLT:0) אופטימיזציה רב תחומית: FLT:1Build model) מודלים משולבים יותר ויותר עם אופטימיזציה מבנית (אופטימיזציה של מפרקים תאולוגיה), ניתוח תרמי (עומסי חימום גורמים עיוותים), ו- CFD (עבור עומסים אווירודינמיקה במהלך ההשקה).המטרה היא תאום דיגיטלי המשתרע על מחזור החיים כולו.
  • (FLT:0) Machine Learning פונדקאים:FLT:1ua כדי להפחית את זמני הסימולציה, מהנדסים חוקרים פונדקאים ברשת עצבית שיכולים להשוות את הדינמיקה הרב-גוף לשימוש בלימודי מונטה קרלו או שליטה בזמן אמת.

מסקנה

דינמיקה רב-גוף מספקת מסגרת מתמטית חישובית לנבא את התנועה המורכבת של רכיבי חלל מקושרים תחת עומסים ומגבלות מציאותיים.מהפריסה הראשונית של מערך סולארי למגע הסופי על מאדים, כל שלב של משימה מרוויחה מניתוח רב-גוף זהה: המשמעת מאפשרת למהנדסים לעצב מערכת בקרה בהירה יותר, בעלת יכולת גבוהה יותר של דינמיקה של LT2, תוך צמצום הסיכון והעלות.