Modern uzay aracı, yörüngede hassas yönlendirmeler ve bazen diğer dünyalarla ilgili diğer araçlar veya araziler ile donatılmış, her bir çok bileşene sahip olan hareket ve etkileşimini sağlarlar - bu disiplinler temel temel ölçütleri, uzayın vakumlarında hassas uygulamaları dağıtır ve tankları ile ilişkilendirir.

Multibody Dynamics

Onun özünde, çok sayıda dinamik, bir eklem tarafından nasıl bağlantılı olduğunu incelemektir (örneğin, bir güneş paneli için bir iptale bağlı olarak), sistemin toplam serbestlik dereceleri, ortaklar tarafından azaltılır. Tipik bir uzaydaki tek bir sabit vücut altı derecesine sahiptir: üç adet çeviri ve üç rotasyonel vücut: İki beden bir ortak tarafından bağlantılı olduğunda, birkaç tane dönen bir robot yapısına ve bir güneş paneline bağlı olarak, sistemin toplam serbest bırakılmasını sağlar.

Yönetim denklemleri Newton-Euler veya Lagrangian mekaniklerinden elde edilir, genellikle değişken-gebraic denklemlerin (DAEs) bir dizi olarak adlandırılamaz, çünkü birçok uzay aracı uygulamaları için, vücutlar başlangıçta katı olarak kabul edilir, ancak yapılar daha büyük ve daha hafif hale gelir, esneklik göz ardı edilemez. [FONT]Flexible multibody Dynamics[FLT 1: 1) elastik olmayan davranışın uzun süre boyunca hesaplamaları içeren uzun antenler için genişletir.

Modern multibody simülasyon yazılımı ( Simpack, ADAMS veya MATLAB / Simscape Multibody) mühendislere tüm uzay aracının sanal prototiplerini inşa etmelerine izin verir. Bu modeller, dağıtılmış mekanizmalardan, doğrusal olmayan eylemci davranışlarından dolayı sürtünmeye ve hatta temasa geçebilmeleri için gerekli olabilir.

Gerçek multibody modelleme ihtiyacı son görevlerin karmaşıklığıyla büyüdü. James Webb Space Teleskobunun güneş dağıtımı, Mars rover Curiosity'nin gökyüzü vinçi ve Uluslararası Uzay İstasyonu'nun robot kolu operasyonları, tüm bu mekanizmaların yersiz ortamda amaçlandığı gibi işlev göstereceğini doğrulamak için çok fazla sayıda dinamik simülasyona dayanıyordu.

Uzay Tasarımda Anahtar Uygulamaları

Yapısal Analiz ve Deployment Mechanisms

Multibody dinamiklerinin en yaygın kullanımlarından biri, dağıtılabilir yapıların simülasyonudur. Solar paneller, anten reflektörler, radyatörler ve enstrüman boomleri başlatılır ve yörüngede güvenilir bir şekilde dağıtmalıdır. Dağıtım dizisi, genellikle ilkbaharlar, motorlar veya form-memory eylemcileri tarafından yönlendirilir.

Yüksek sadakat modeli, her panelin sadece katı hareketine dahil olmayacak, ancak ayrıca panellerin esnekliğini de içerecektir - özellikle de uluslararası Uzay İstasyonunda olanlar gibi büyük diziler için önemli (ISS), bu tür yüzlerce ayak uzunluğundaki uzun sıcaklık döngülerinin yörüngede bir uzay deneyimi yakalamasına yardımcı olur.

Aşırı hassas gerektiren görevler için, radyo astronomi teleskopları gibi, hatta yapının mikro-düzeltmeleri performans gösterebilir. Multibody modeller, yapısal FEA ile çiftleştirilmiş mühendislere tazminat stratejileri tasarlamalarına izin verir, örneğin geri bildirim kontrolü kullanarak hareketleyicilerin şeklini ayarlamak için.

Tutum Kontrol ve İstikrar

Bir uzay aracının yönelimini korumak - aletleri işaret etmek için gerekli olan, Dünya ile iletişim kurmak ve ısıtıcıları yönetmek (CMGs), ve itersler uzay aracı otobüslerinde ilk hareketçilerdir. Ancak, bir uzay aracı nadiren mükemmel bir katı vücut.

Multibody dinamikleri, mühendislerin katı otobüs ve esnek bileşenler arasındaki etkileşimi modellemesine izin verir. Örneğin, reaksiyon tekerleğinin ortaya çıkardığında, rotoru, “jitter” olarak bilinen ve tekerlek desteği yapısıyla uzay aracına devre dışı bırakılır. Multibody simülasyonlar, jitterleri veya termal bozulmaları ölçmek için yardımcı olur, bu fenomen, aktif damping sistemlerinin tasarımını da sağlar.

Bir başka kritik senaryo, kontrol sistemi tarafından karşılanmak zorunda olan tutum rahatsızlıklarına neden olabilir. Simulink veya Dymola ile birlikte bir radar anteni gibi büyük bir kesintiye maruz kalıyor.

Arazi ve gezegensel iniş aynı zamanda çok sayıda tutum kontrolüne de güveniyor. Örneğin, Mars 2020 "sky vinç" manevrası sırasında, uzay aracı iniş aşaması, üç vücut (descent aşama, rover ve tether) rover'ın rover'ı daha düşük düşürmüş durumdaydı.

Robotik Manipulatörler ve Docking

Uzaylı genellikle uyduları, montaj yapıları veya dağıtım araçları gibi görevler için robotik kolları taşır.The Canadarm2 on the ISS is a prime example. These manipülors are multibody systems with its own engines, Frens, and sensörler.The dynamicrm2 on the arm's base (the ISS) is itself moving and flexible.

Modeller kolun bağlantılarının esnekliğini yakalamalıdır (sabahları ödeme yüklerine zarar verebilecek vibrasyonlardan kaçınmalıdır) ve eklemlerdeki doğrusal olmayan sürtünme (bu, yüksek konumdaki denetim algoritmaları, güç/tork tabanlı uyum kontrolü gibi, herhangi bir donanım inşa edilmeden önce çok sayıda simülasyon kullanarak test edilir.For future tasks like on-orbit service of satellites, multibody dynamics will be necessary for simulating the captured of captured of relative acceleration, and next coupled action.

Docking – iki uzay aracının fiziksel olarak birbirine bağlandığı süreç – başka bir çok varlıklı alan.Tablok mekanizmasının kendisi, latches, şok emiciler ve rehberler ile çok yüksek olabilir ve yapısal yanıt doğrulanmalıdır.The Apollo-Soyuz Test Projesi, Space Transfering mekanizmasının hepsi çok güvenli, tekrarlanabilir dinamik simülasyonlar ile çok güvenilir bir şekilde donatılmıştır.

Arazi ve Descent Systems

Gezegensel toprakçılar bilinmeyen araziye dokunmalıdır. İniş dişlisi - çeşitli vinçlerde, şok emiciler ve ayakpads - Etki enerjisini absorbe etmek ve topraklı çok sayıdaki küçük betonlu hava çantalarını tutmak için çok sayıda sistemdir, ve son derece sert bir vücut otobüsü, bir sürü ayak izi ve toprak sertlikleri, ve toprak sertlikleri, ancak bu simülasyonlar, Pat Marsfinder hava çantasını kullanarak kullanılır.

Örnek geri dönüş görevleri için, yüzey materyali toplama süreci - bir robot kolu veya bir matkapla - aynı zamanda çok sayıda temas dinamikleri içerir. Örnek araç ve regolith arasındaki etkileşim çok yönlü bir problemdir, ancak çok fazla değişken iletişim modelleri (örneğin Hertzian kontaktları veya kohesive toprak modelleri gibi) ve uzay aracı yapısı üzerindeki yükleri öngörür.

Simülasyon Araçları ve Metodolojileri

Mühendisler, araç dinamikleri için on yıllardır kullanılan bir dizi ticari ve açık kaynak araçlarına sahiptir.(Dasault Syhtèmes)[DÜye Olmayanlar İçin Özelleştirilmiş Formlar)[DÜye Olmayanlar İçin Alternatifler[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.)[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.

Tipik iş akışı her bir bileşeninin bir CAD modeli oluşturmaya başlar, sonra belirli bir senaryo için hareket denklemlerini tanımlar - sonlu 200 saniyeden fazla işlenebilir veya hareketli bir eklentiden oluşan bir akış.Rekstran veya Abaqus) ve çok değişkenleri kullanarak, animasyonları tekrarlayın.

Geçerlilik kritiktir. Simülasyon sonuçları, deneysel verilere zemin testlerinden karşı karşılaştırılır. Dağıtım mekanizmaları için mühendisler genellikle "neutral buoyancy" tesisi veya hava taşıma masalarını yaklaşık sıfır-gravity'ye kadar kullanırlar, ancak her iki sınırlama da vardır.

Faydaları ve Zorluklar

Uzaylı tasarımda çok sayıda dinamik uygulama avantajları zorlayıcı:

  • [FONT=0]Redüklenmiş geliştirme maliyeti ve programı: [Dönetici: 0 ) Sanal prototipler, mühendislere birden fazla fiziksel alay açmadan optimize edilmesine ve optimize edilmesine izin verir.Deployment dizi başarısızlıklar bilgisayarda tanımlanabilir ve sabitlenebilir, milyonlarca donanım rework tasarruf sağlar.
  • [FONT:0)Enhanced güvenlik ve güvenilirlik: En kötü senaryoları (örneğin, sıkı bir arıza), mühendisler başarısız güvenli mekanizmaları ve sağlam kontrol yasaları tasarlayabilirler. Birçok simülasyon beklenmedik dinamik etkileşimleri ortaya çıkardı.
  • [FONT:0)Optimized performans:[Döneticileri] Multibody modeller kitle, sertlik ve eylemci büyüklüğünden ticarete yardımcı olur. Örneğin, sürücüyü sürüş için bir ilkbaharda ideal bir yük belirleyebilirler, aşırı değil, minizing şok yükleri.
  • [FONT:0] Sistem düzeyindeki davranışlara göz atın: Alt sistemler arasındaki darbe (yapılar, kontroller, termal) her alt sistemin izolasyonu ile kaçırılacak olan entegre bir simülasyonda incelenebilir.

Ancak, zorluklar var. [FONTT:0) Model karmaşıklığı hızla büyür; tam bir uzay aracı modeli, tüm esnek modlar dahil edilirse binlerce derece özgürlüğüne sahip olabilir.) Geçerlilik[Dönlendirmek için) aktif bir araştırma alanı kalır; çünkü uzay ortamları (mikrogravity, vakum, aşırı sıcaklıklar) Dünya üzerinde mükemmel bir şekilde yeniden üretilemez.)

Future Yol Tarifi

Uzaylı tasarımdaki çok sayıda dinamik rolü sadece görevler daha hırslı hale gelecektir. Birkaç trend görünür:

  • [FONT:0) Gerçek zamanlı ve donanım-in-the-loop (HIL) simülasyonu: ), As işlemciler daha hızlı hale gelir, gerçek zamanlı operatör eğitimi için çok fazla sayıda model çalıştırmak ve gerçek uçuş bilgisayarları test etmek mümkündür. Bu zaten ISS'de ve taşıyıcılar kurmak için yapılır.
  • [FONT=0]Çok büyük yapılar için çok sayıda dinamik var: Uzaylı güneş enerjisi uyduları ve büyük uzay teleskopları gibi konseptler (örneğin, LUVOIR) dağıtımlarını modellemek, şekli kontrol etmek ve tam esnek dinamikleri ile tutum dinamikleri gerekli olacaktır.
  • [FONT:0) Çok disiplinli optimizasyon:[Döneticileri) Çok değişkenli modeller yapısal optimizasyonla (toplamaların en yüksekoloji optimizasyonu), termal analiz (havalı yüklere neden olan deformasyonlar) ve CFD (birerodinamik yükler için abort) hedef, tüm yaşam döngüsüne yayılan dijital ikiztir.
  • [FONT:0)Makine öğrenme sorguları:[Döneticileri azaltmak için, mühendisler Monte Carlo çalışmalarında veya gerçek zamanlı kontrolde kullanım için çok sayıda dinamikleri araştırır.Bu hala ortaya çıkıyor ama umut verici.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Multibody dinamikleri, gerçekçi yükler ve kısıtlamalar altında birbirine bağlı uzay bileşenlerinin karmaşık hareketini tahmin etmek için matematiksel ve hesaplama çerçevesi sağlar.Bir güneş ışığından Mars'ta son dokunuşa kadar, her bir çok değişkenden gelen bir görevin her aşamasını sağlar. Disiplin mühendisleri daha hafif, daha yetenekli bir uzay aracı daha yüksek güvene sahip, risk ve maliyete sahip.[TFLD)[TFLD)[TFLD)