一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，涉及航天器仿真计算技术领域，所述计算方法包括：根据航天器的轨道参数计算航天器在轨道各点的原子氧通量影响参数或紫外通量影响参数；将航天器表面剖分为多个多边形网格单元,并设定各个所述多边形网格单元的原子氧通量初始值或紫外通量初始值；计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值或紫外通量增加值，最后得到原子氧通量累计值或紫外通量累计值。与现有技术比较，本发明专利技术能够大幅度提高计算时间效率，降低成本，为蒙特卡罗模拟方法的计算结果提供校验数据，为航天器表面涂层材料快速筛选提供高效技术手段，有着明显的优势和广泛的应用前景。优势和广泛的应用前景。优势和广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法


[0001]本专利技术涉及航天器仿真计算
，具体而言，涉及一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法。

技术介绍

[0002]航天器在轨服役期间，其表面暴露于原子氧环境并接受紫外辐照，附着于外表面的保护性涂层材料将被不断剥蚀/掏蚀。剥蚀/掏蚀效应的强弱取决于原子氧/紫外辐照通量的大小和航天器表面涂层材料的选择。原子氧/紫外辐照通量取决于航天器的飞行高度、飞行朝向、原子氧密度、紫外辐照强度等因素。而涂层材料的抗剥蚀/掏蚀能力越强，其合成代价越高。在优化航天器设计时，需要根据其设计寿命最优地选择表面涂层材料。用试验研究选择最优的表面涂层材料，耗时长，费用高，不适用于材料的选择，这就需要借助仿真软件根据航天器的飞行环境参数计算其表面各处的原子氧/紫外通量。
[0003]目前，各种仿真软件大多采用蒙特卡罗模拟方法来计算航天器表面各单元的的原子氧/紫外辐照通量，其中每次随机试验产生模拟粒子及其速度之后均需要枚举航天器表面的每个剖分网格，通过计算确定模拟粒子最先碰触的表面剖分网格。这使得该方法的计算复杂度随航天器表面剖分网格总数超线性增长，随随机实验总数线性增长，性能缺乏可扩展性。事实上，蒙特卡罗模拟在中等规模网格剖分和中等大小的随机实验总数时，也需要长时间等待通量计算结果，由此，导致计算任务响应时间长、用户体验差，而且容易造成计算意外中断，计算时间开销大，造成航天器优化设计过程缺乏涂层材料初步筛选的技术手段，造成设计周期延长，限制了其应用。

技术实现思路
r/>[0004]本专利技术解决的问题是现有技术中蒙特卡罗模拟航天器表面各单元的的原子氧/紫外辐照通量的方法计算任务响应时间长、用户体验差，而且容易造成计算意外中断，计算时间开销大，造成航天器优化设计过程缺乏涂层材料初步筛选的技术手段，造成设计周期延长中的至少一个方面。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，包括如下步骤:
[0006]步骤S1,根据航天器的轨道参数计算所述航天器在轨道各点的原子氧通量影响参数或紫外通量影响参数；
[0007]步骤S2,将所述航天器表面剖分为多个多边形网格单元,并设定各个所述多边形网格单元的原子氧通量初始值或紫外通量初始值；
[0008]步骤S3,根据原子氧粒子相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述原子氧通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值，或根据紫外辐照相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述紫外通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的紫外通量增加值；
[0009]步骤S4,根据所述原子氧通量初始值与所述原子氧通量增加值，得到所述航天器表面各个所述多边形网格单元的原子氧通量累计值，或根据所述紫外通量初始值与所述紫外通量增加值，得到所述航天器表面各个所述多边形网格单元的紫外通量累计值。
[0010]较佳地，步骤S1中，所述原子氧通量影响参数包括航天器运动速度和原子氧密度。
[0011]较佳地，步骤S1中,所述紫外通量影响参数包括紫外辐照方向、航天器受晒因子和紫外辐照强度。
[0012]较佳地，步骤S3中，所述根据原子氧粒子相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述原子氧通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值，包括：
[0013]步骤S31,根据第一计算公式确定所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子；
[0014]步骤S32,确定所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值；
[0015]步骤S33,根据所述原子氧通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值和所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子，计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值。
[0016]较佳地，步骤S31中，所述第一计算公式为：所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子＝1
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第一相交射线的数量/所述多边形网格单元的顶点数，其中，所述第一相交射线的数量为所述网格单元多边形的每个顶点沿所述航天器运动速度的反方向发出的射线相交的数量。
[0017]较佳地，步骤S33中，根据所述原子氧通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值和所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子，计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值，包括：
[0018]当所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值大于0时，所述多边形网格单元在所述轨道点的原子氧通量增加值为0；
[0019]否则，所述原子氧通量增加值为所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子、所述航天器运动速度的绝对值、所述网格单元多边形的面积、所述原子氧密度和所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值的绝对值的乘积。
[0020]较佳地，步骤S3中，所述根据紫外辐照相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述紫外通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的紫外通量增加值，包括：
[0021]步骤S34,根据第二计算公式确定所述多边形网格单元沿紫外辐照的反方向的遮挡因子；
[0022]步骤S35,确定所述多边形网格单元的法向量与所述紫外辐照的反方向的夹角余弦值；
[0023]步骤S36,根据所述紫外通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述紫外
辐照方向的夹角余弦值和所述多边形网格单元沿紫外辐照的反方向的遮挡因子，计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的紫外通量增加值。
[0024]较佳地，步骤S34中，所述第二计算公式为：所述多边形网格单元沿紫外辐照的反方向的遮挡因子＝1
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第二相交射线的数量/所述多边形网格单元的顶点数，其中，所述第二相交射线的数量为所述网格单元多边形的每个顶点沿所述紫外辐照的反方向发出的射线相交的数量。
[0025]较佳地，步骤S36中，根据所述紫外通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述紫外辐照方向的夹角余弦值和所述多边形网格单元沿紫外辐照的反方向的遮挡因子，计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的紫外通量增加值，包括：
[0026]当所述多边形网格单元的法向量与所述紫外辐照方向的夹角余弦值大于0或者所述航天器受晒因子为0时，所述多边形网格单元在所述轨道点的紫外通量增加值为0；
[0027]否则，所述紫外通量增加值为所述多边形网格单元沿紫外辐照的反方向的遮挡因子、所述网格单元多边形的面积、所述紫外辐照强度和所述多边形网格单元的法向量与所述紫外辐照方向的夹角余弦值的绝对值的乘积。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤S1,根据航天器的轨道参数计算所述航天器在轨道各点的原子氧通量影响参数或紫外通量影响参数；步骤S2,将所述航天器表面剖分为多个多边形网格单元,并设定各个所述多边形网格单元的原子氧通量初始值或紫外通量初始值；步骤S3,根据原子氧粒子相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述原子氧通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值，或根据紫外辐照相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述紫外通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的紫外通量增加值；步骤S4,根据所述原子氧通量初始值与所述原子氧通量增加值，得到所述航天器表面各个所述多边形网格单元的原子氧通量累计值，或根据所述紫外通量初始值与所述紫外通量增加值，得到所述航天器表面各个所述多边形网格单元的紫外通量累计值。2.根据权利要求1所述的基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述原子氧通量影响参数包括航天器运动速度和原子氧密度。3.根据权利要求1所述的基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，步骤S1中,所述紫外通量影响参数包括紫外辐照方向、航天器受晒因子和紫外辐照强度。4.根据权利要求2所述的基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述根据原子氧粒子相对于所述航天器的运动方向、夹角和所述原子氧通量影响参数计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值，包括：步骤S31,根据第一计算公式确定所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子；步骤S32,确定所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值；步骤S33,根据所述原子氧通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度的反方向的夹角余弦值和所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子，计算所述航天器运动轨道每个点上的每个所述多边形网格单元的原子氧通量增加值。5.根据权利要求4所述的基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，步骤S31中，所述第一计算公式为：所述多边形网格单元沿所述航天器运动速度的反方向的遮挡因子＝1
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第一相交射线的数量/所述多边形网格单元的顶点数，其中，所述第一相交射线的数量为所述网格单元多边形的每个顶点沿所述航天器运动速度的反方向发出的射线相交的数量。6.根据权利要求4所述的基于射线追踪的原子氧或紫外通量的计算方法，其特征在于，步骤S33中，根据所述原子氧通量影响参数、所述多边形网格单元的法向量与所述航天器运动速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨剑群，李兴冀，骆吉洲，董尚利，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：