焦子龍，趙 明，姜利祥，李 濤，劉宇明，姜海富，孫繼鵬，鄭慧奇，朱云飛

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中，因真空、中性大氣、等離子體、帶電粒子輻射、微流星體及空間碎片、推力器羽流等空間環(huán)境因素的影響，可能導(dǎo)致分系統(tǒng)或航天器性能下降，甚至任務(wù)無(wú)法完成。國(guó)內(nèi)外航天器在軌故障統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，空間環(huán)境是主要影響因素之一?？臻g環(huán)境效應(yīng)的主要研究方式包括地面試驗(yàn)、在軌實(shí)驗(yàn)、仿真分析等。仿真分析利用計(jì)算機(jī)軟件評(píng)估空間環(huán)境對(duì)航天器的影響程度，可為空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)奠定基礎(chǔ)，為航天器在軌故障診斷及機(jī)理分析提供支撐，有助于減少物理試驗(yàn)成本，進(jìn)而提高航天器研制效率，是航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的重要組成部分。

空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件是工業(yè)軟件的一種。工業(yè)軟件的本質(zhì)是專業(yè)知識(shí)和技術(shù)訣竅的模型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和軟件化，可以讓經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)得以更好地保護(hù)與傳承、更快地運(yùn)轉(zhuǎn)和更大規(guī)模地應(yīng)用，推動(dòng)專業(yè)知識(shí)的沉淀、復(fù)用和重構(gòu)。國(guó)外工業(yè)巨頭都有自己的工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)部門(mén)，自有/專用軟件數(shù)量巨大。例如，波音公司使用了大約1000 種商用軟件，而自己研發(fā)的自有/專用軟件近7000 種。對(duì)我國(guó)而言，空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件還存在禁運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，因此自主研發(fā)、實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化需求迫切。

航天器空間環(huán)境效應(yīng)涉及因素多，歷史積累的經(jīng)驗(yàn)算法較多，軟件復(fù)雜，開(kāi)發(fā)工作量大，因此需要系統(tǒng)總結(jié)分析軟件架構(gòu)，避免重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)更好地適應(yīng)未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展的需求。本文通過(guò)對(duì)國(guó)外空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件最新技術(shù)的調(diào)研分析，以及我國(guó)未來(lái)航天技術(shù)空間環(huán)境效應(yīng)分析需求，提出了一種空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件架構(gòu)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鑒于航天器在軌任務(wù)及自身的復(fù)雜性，以及空間環(huán)境及其效應(yīng)的復(fù)雜多變，國(guó)內(nèi)外研制了多種空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件，其中既有系統(tǒng)級(jí)的集成式分析軟件，也有針對(duì)單一空間環(huán)境因素的分析軟件。

1.1 集成式分析軟件

SYSTEMA 軟 件 由Matra Marconi Space 公 司（目前為空客防務(wù)與空間公司）于1990 年開(kāi)發(fā)，目前最新版本為4.8.3。圖1 為該軟件的總體結(jié)構(gòu)。該軟件為“支持空間系統(tǒng)工程的多學(xué)科解決方案”，空間環(huán)境影響仿真分析為其重要組成部分，包含熱流模擬及分析、輻射總劑量、羽流沖擊和污染、環(huán)境擾動(dòng)、原子氧腐蝕、材料放氣污染以及太陽(yáng)能電池性能退化、天線耦合干擾、空間碎片等多個(gè)子模塊。而幾何建模、任務(wù)分析、結(jié)果處理及顯示等功能為各模塊公用。軟件已成功用于科學(xué)探測(cè)、通信導(dǎo)航等多領(lǐng)域航天器設(shè)計(jì)中，典型結(jié)果如圖2 所示。

圖1 SYSTEMA 軟件總體結(jié)構(gòu)[9]Fig. 1 Architecture of the SYSTEMA software[9]

圖2 SYSTEMA 軟件的典型計(jì)算結(jié)果[9]Fig. 2 Typical simulation results of SYSTEMA software[9]

比利時(shí)的皇家空間天氣研究所（Royal Belgian Institute for Space Aeronomy，BIRA-IASB）聯(lián)合其他單位在ESA 資助下開(kāi)發(fā)了空間環(huán)境信息系統(tǒng)（Space ENVironment Information System，SPENVIS）。其最新版本稱為下一代SPENVIS（SPENVIS-NG）。該系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于web、面向服務(wù)的分布式框架，具備可伸縮、可擴(kuò)展、安全的優(yōu)異特性。它提供了軟件開(kāi)發(fā)工具（SDK），使得用戶可開(kāi)發(fā)自己的環(huán)境及效應(yīng)模型放入該系統(tǒng)，同時(shí)支持與其他系統(tǒng)或軟件的交互。它采用了五層架構(gòu)，包括人機(jī)交互層、機(jī)器層、邏輯層、模型層和數(shù)據(jù)層。邏輯層用來(lái)管理整個(gè)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)工作流的處理。模型層集成了所有空間環(huán)境模型。SPENVIS-NG 系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型管理輸入、輸出和空間環(huán)境模型?？臻g環(huán)境模型既是數(shù)據(jù)的消費(fèi)者，也是數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者?？臻g環(huán)境模型存放位置和運(yùn)行環(huán)境不限，甚至可以是遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)/服務(wù)器，例如用戶可直接調(diào)用NASA 的社區(qū)管理建模中心的空間環(huán)境模型。SPENVIS-NG 系統(tǒng)通過(guò)與系統(tǒng)無(wú)關(guān)的方式（如Java、XML）進(jìn)行模型調(diào)用。一次空間環(huán)境效應(yīng)分析過(guò)程可以是單因素或多因素的空間環(huán)境效應(yīng)分析，也可以是某種效應(yīng)參數(shù)化的多次分析。

NASA 為國(guó)際空間站任務(wù)開(kāi)發(fā)了Environments WorkBench 軟件，用于空間環(huán)境效應(yīng)分析。它主要包含軌道定義、航天器定義、空間環(huán)境及效應(yīng)分析、圖形界面等功能模塊，能夠在Windows 和Unix 平臺(tái)運(yùn)行。它包含超過(guò)100 種空間環(huán)境及效應(yīng)模型；采用了稱為軟件總線（Software Bus）的技術(shù)來(lái)提供功能擴(kuò)充或功能升級(jí)，即通過(guò)在總線上增加功能模塊（modules）或以新模塊替換現(xiàn)有模塊來(lái)擴(kuò)充或升級(jí)功能，用戶只需通過(guò)配置文件進(jìn)行相應(yīng)配置即可。該軟件成功用于空間站表面電位的分析及控制。

1.2 單一空間環(huán)境因素效應(yīng)分析軟件

針對(duì)單一因素空間環(huán)境效應(yīng)也開(kāi)發(fā)了大量的分析軟件，如原子氧效應(yīng)分析軟件FLUXAVG、帶電粒子輻射效應(yīng)分析軟件SpaceRadiation、單粒子效應(yīng)分析軟件SEMM-2和CRèME-MC、內(nèi)帶電效應(yīng)分析軟件NUMIT和DICTAT、空間碎片/微流星體效應(yīng)分析軟件BUMPER 和ESABASE、 等離子體環(huán)境效應(yīng)分析軟件NASCAP-2K和SPIS、材料放氣污染分析軟件COMOVA 和NASAN等。其具體特點(diǎn)限于篇幅不再贅述?？偟膩?lái)說(shuō)，上述軟件采用了經(jīng)過(guò)大量研究和試驗(yàn)驗(yàn)證的模型和算法，成功用于多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)當(dāng)中，已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)也發(fā)展了多種單一因素空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件，如原子氧效應(yīng)分析軟件MOFS、帶電粒子輻射效應(yīng)分析軟件、單粒子效應(yīng)分析軟件、內(nèi)帶電效應(yīng)分析軟件ATIC、空間碎片/微流星體效應(yīng)分析軟件MODAOST、材料放氣污染分析軟件MCAT等。

1.3 空間環(huán)境模型及數(shù)據(jù)庫(kù)

空間環(huán)境模型是空間環(huán)境效應(yīng)仿真的重要組成部分。NASA 建立社區(qū)協(xié)調(diào)建模中心（Community Coordinated Modeling Center, CCMC）網(wǎng)站，集合了空間環(huán)境分析所需的大量空間環(huán)境模型，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)進(jìn)行計(jì)算得到環(huán)境參數(shù)。歐空局提出了“Planetary Space Weather Services”，提供太陽(yáng)系其他行星和行星際的空間天氣和態(tài)勢(shì)感知服務(wù)，滿足火星、彗星、木星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的需求；一方面是分析空間環(huán)境效應(yīng)的需要，另一方面也是空間探測(cè)數(shù)據(jù)解讀的需要。

1.4 小結(jié)

為分析評(píng)價(jià)空間環(huán)境效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件，既有集成式的系統(tǒng)級(jí)分析軟件，也有針對(duì)單一因素的分析軟件或程序。對(duì)比這兩種軟件類型，前者更便于航天器設(shè)計(jì)人員進(jìn)行空間環(huán)境效應(yīng)分析，其優(yōu)點(diǎn)包括：界面統(tǒng)一，學(xué)習(xí)成本低；軌道定義及航天器幾何模型定義等輸入數(shù)據(jù)的工作量較小；可進(jìn)行多種空間環(huán)境因素的疊加效應(yīng)分析；架構(gòu)統(tǒng)一，便于二次開(kāi)發(fā)及升級(jí)。因此，我們認(rèn)為集成式系統(tǒng)級(jí)的分析軟件是未來(lái)發(fā)展方向。但我國(guó)目前缺乏相應(yīng)的集成式系統(tǒng)級(jí)分析軟件。

此外，航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)分析軟件提出了更新更高的要求，比如：空間太陽(yáng)能電站等未來(lái)大型、超大型航天器的空間環(huán)境效應(yīng)分析需求；空間環(huán)境多因素協(xié)同效應(yīng)分析等更精細(xì)分析的需求；基于實(shí)時(shí)空間環(huán)境數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)空間環(huán)境模型開(kāi)展空間環(huán)境效應(yīng)分析的需求。軟件設(shè)計(jì)研制中應(yīng)充分考慮上述需求。

2 空間環(huán)境軟件架構(gòu)分析

2.1 空間環(huán)境效應(yīng)分析

空間環(huán)境效應(yīng)較為復(fù)雜，有近20 種之多，如表1 所示。

表1 典型空間環(huán)境效應(yīng)Table 1 Typical effects of space environmental factors

在不同的航天器研制階段，對(duì)于不同的產(chǎn)品層級(jí)，空間環(huán)境效應(yīng)分析的目的不同。一般而言，航天器研制可劃分為可行性論證、方案設(shè)計(jì)、初樣研制、正樣研制、在軌運(yùn)行等階段。而航天器產(chǎn)品層級(jí)可劃分為元器件/材料級(jí)、設(shè)備/分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)等。一般的空間環(huán)境效應(yīng)分析流程如圖3 所示。在可行性論證和方案設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)行空間環(huán)境背景特性分析，判斷空間環(huán)境影響嚴(yán)重程度，對(duì)軌道、發(fā)射時(shí)間、預(yù)期在軌工作壽命等參數(shù)進(jìn)行確定。在初樣研制階段，需要定量分析空間環(huán)境效應(yīng)影響，考慮相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)及措施。對(duì)于在軌運(yùn)行階段，衛(wèi)星出現(xiàn)故障或異常時(shí)，需要基于空間環(huán)境效應(yīng)分析，結(jié)合其他分析或試驗(yàn)，制定并采取合適的故障或異常排除措施。

圖3 空間環(huán)境效應(yīng)分析流程Fig. 3 Flowchart for analysis of space environmental effects

初樣研制階段中的空間環(huán)境效應(yīng)分析包含空間環(huán)境單一因素或多個(gè)因素效應(yīng)分析。不同空間環(huán)境因素的效應(yīng)分析流程大致相同。因此，空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件的基本功能應(yīng)至少包括任務(wù)或軌道數(shù)據(jù)處理、航天器三維模型操作、空間環(huán)境模型庫(kù)遴選、空間環(huán)境因素效應(yīng)仿真、材料屬性等各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理、可視化等。

2.2 架構(gòu)分析

軟件架構(gòu)是對(duì)軟件系統(tǒng)組成及其各部分相互關(guān)系的描述。好的架構(gòu)為軟件系統(tǒng)的可靠性、可移植性、互操作性等奠定基礎(chǔ)，且便于軟件開(kāi)發(fā)和功能升級(jí)。因此，有必要開(kāi)展空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件的架構(gòu)分析及設(shè)計(jì)。本文基于常用的分層軟件架構(gòu)及航天器空間環(huán)境效應(yīng)分析流程、基本功能等知識(shí)，提出了一種7 層軟件架構(gòu)，如圖4 所示，包括用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層、算法層、基礎(chǔ)算法層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層及數(shù)據(jù)層。

圖4 航天器空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件架構(gòu)示意Fig. 4 Architecture of software for analyzing space environmental effects on spacecraft

用戶界面層負(fù)責(zé)與用戶的交互，接收輸入數(shù)據(jù)，輸出用戶期望的結(jié)果。它可以是圖形界面、基于網(wǎng)頁(yè)的界面，也可以支持類似Python 的腳本語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)批處理功能；同時(shí)，還提供軟件全部功能的API 接口，以集成到用戶的分析工具或程序中。

業(yè)務(wù)邏輯層將現(xiàn)有的空間環(huán)境效應(yīng)分析規(guī)范或流程軟件化，實(shí)現(xiàn)效應(yīng)分析的自動(dòng)化、流程化。業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層將效應(yīng)模型、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等軟件化。

算法層提供可調(diào)用的空間環(huán)境效應(yīng)計(jì)算中需用到的數(shù)值計(jì)算方法，如用于通量計(jì)算的射線追蹤方法、用于等離子體計(jì)算的PIC 方法、用于中性大氣計(jì)算的DSMC 方法等。

基礎(chǔ)算法層為算法層提供服務(wù)，包括實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換、幾何模型處理、矩陣計(jì)算等的數(shù)學(xué)算法?？臻g環(huán)境模型采用不同的坐標(biāo)系，如地球輻射帶環(huán)境模型采用L-B 坐標(biāo)系、中性大氣環(huán)境模型采用地理坐標(biāo)系，深空探測(cè)任務(wù)還涉及行星坐標(biāo)系、太陽(yáng)系坐標(biāo)系等，因此需要坐標(biāo)變換功能。對(duì)于航天器幾何模型，一般需要幾何模型簡(jiǎn)化，劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等相關(guān)的功能模塊。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層為效應(yīng)分析中的輸入和輸出數(shù)據(jù)提供讀取接口。空間環(huán)境效應(yīng)分析中涉及大量不同來(lái)源和特性的數(shù)據(jù)，比如：大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，空間環(huán)境因素模型需要的太陽(yáng)黑子數(shù)、太陽(yáng)F10.7 通量、地磁Ap 指數(shù)等觀測(cè)數(shù)據(jù)；此外還包括仿真分析算例的數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)格式在空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件中也具有重要作用。針對(duì)空間環(huán)境效應(yīng)方面數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式方面的研究明顯不足，目前僅有針對(duì)碎片環(huán)境模型和效應(yīng)分析工具之間的接口：標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境接口（Standard Environment Interface, STENVI）。作為初步建議，本文提出CFD 通用標(biāo)記系統(tǒng)（CFD General Notation System, CGNS）格式作為效應(yīng)仿真輸出數(shù)據(jù)格式。CGNS 格式開(kāi)源、跨平臺(tái)，適合于需要存儲(chǔ)場(chǎng)數(shù)據(jù)的科學(xué)和工程領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)及隨機(jī)訪問(wèn)，并允許對(duì)數(shù)據(jù)插入注釋?？臻g環(huán)境效應(yīng)仿真結(jié)果一般為場(chǎng)數(shù)據(jù)。一次仿真的數(shù)據(jù)集包括不同空間環(huán)境因素、不同軌道位置等大量子集。采用CGNS 格式可較好實(shí)現(xiàn)集中管理、高效讀寫(xiě)。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)原型初步應(yīng)用

微流星體撞擊通量計(jì)算是空間環(huán)境效應(yīng)分析的重要項(xiàng)目。按照?qǐng)D4 中的架構(gòu)，建立了用于微流星體撞擊通量計(jì)算的原型系統(tǒng)。原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖4 中部分模塊，包括業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層的微流星體通量計(jì)算模塊、算法層的射線追蹤模塊、基礎(chǔ)算法層的坐標(biāo)變換模塊、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的三角網(wǎng)格讀取模塊和結(jié)果輸出模塊以及微流星體環(huán)境模型接口模塊等。大型航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其自身的遮擋效應(yīng)是微流星體撞擊通量計(jì)算中的關(guān)鍵。通量計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[44-45]。航天器幾何模型如圖5 所示，網(wǎng)格數(shù)量為24696 個(gè)；其軌道為400 km 圓軌道。

圖5 航天器幾何模型Fig. 5 A geometric model of spacecraft

微流星體撞擊通量計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。微流星體環(huán)境模型為Grün 模型，它定義了距太陽(yáng)一個(gè)天文單位（1AU）處相對(duì)靜止的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)的面積為1 m的平板在各向同性的微流星體流中一年時(shí)間內(nèi)受到的撞擊數(shù)目。圖6 給出的是直徑＜0.1 mm 的微流星體顆粒的撞擊通量分布，可以看出，迎風(fēng)方向撞擊數(shù)最大，為6.597，朝向地球（-

z

）方向撞擊數(shù)最小，僅為0.305。此外，由于表面單元之間復(fù)雜的遮擋關(guān)系，使得撞擊數(shù)目分布極不均勻。

圖6 微流星體通量計(jì)算結(jié)果Fig. 6 Results of simulated micrometeoroid impact flux

3 結(jié)束語(yǔ)

航天器空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析是航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。我國(guó)目前尚無(wú)系統(tǒng)級(jí)空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件，且未來(lái)航天任務(wù)發(fā)展對(duì)此類軟件提出了迫切需求。作為工業(yè)軟件的一種，空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件必須實(shí)現(xiàn)自主研制和國(guó)產(chǎn)化。由于行業(yè)特殊性，以往以項(xiàng)目方式定制化開(kāi)發(fā)的做法使軟件在知識(shí)經(jīng)驗(yàn)積累、持續(xù)改進(jìn)、消化吸收新技術(shù)方面存在明顯不足，陷入低層次重復(fù)研究。

為解決上述問(wèn)題，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外空間環(huán)境效應(yīng)分析軟件進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研分析，指出空間環(huán)境軟件的基本功能應(yīng)至少包括任務(wù)或軌道數(shù)據(jù)處理、航天器三維模型操作、空間環(huán)境模型庫(kù)、空間環(huán)境因素效應(yīng)仿真、材料屬性等各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理、可視化等；提出了一種7 層軟件架構(gòu)，包括用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層、算法層、基礎(chǔ)算法層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層及數(shù)據(jù)層；提出采用CGNS 格式管理效應(yīng)仿真數(shù)據(jù)。最后，介紹了采用該系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的微流星體撞擊通量計(jì)算原型系統(tǒng)，給出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)航天器微流星體撞擊通量典型結(jié)果。

原型系統(tǒng)僅是該架構(gòu)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)航天器遮擋效應(yīng)計(jì)算中的初步應(yīng)用，其證明該架構(gòu)具有足夠的彈性，便于將已有仿真相關(guān)的程序、算法、模型等快速集成，可作為下一代自主可控空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件架構(gòu)研究的起點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上深入開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)模塊接口和數(shù)據(jù)格式的相關(guān)研究，為軟件開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。