spacecraft-thermal-multi-node-analysis 0.1.0

衛星の多節点熱解析プログラム

多節点衛星熱解析プログラム

このプログラムは、衛星の多節点熱解析を行うPythonスクリプトです。 地球周回軌道・深宇宙探査の両方に対応し、非定常（時間発展）解析が可能です。

主な機能

• 地球周回軌道・深宇宙の非定常熱解析
• ベータ角・軌道高度・太陽方向ベクトル等のパラメータ指定
• アルベド・地球赤外の有効/無効切替（settings/constants.yaml）
• コンダクタンス行列による熱伝導計算（settings/cij_matrix.csv）
• 各面の温度履歴・熱収支・入力のCSV/グラフ出力
• ビューファクター行列・Rij行列のCSV出力
• コマンドラインから柔軟に計算条件を指定可能

インストール

このプロジェクトは uv で管理されています。

# uvのインストール
curl -LsSf https://astral.sh/uv/install.sh | sh

# 依存関係のインストール
uv sync

使い方

一括解析実行機能

複数の解析条件を一括実行するには、batch-analysisコマンドを使用します。

1. 解析設定のテンプレートファイルを作成：

uv run batch-analysis create-template

2. 作成されたanalysis_config_template.csvを編集して、実行したい解析条件を記述：

mode,altitude,beta,sun_x,sun_y,sun_z,duration,num_orbits,temp_grid_interval,output_dir
earth,500.0,60.0,,,40010.0,,5.0,output/earth_orbit_alt500.0_beta60.0
earth,300.0,45.0,,,40010.0,,5.0,output/earth_orbit_alt300.0_beta45.0
deep_space,,,,1.0,0.0,0.0,40010.0,,5.0,output/deep_space_sun_x1.0_y0.0_z0.0

3. 設定ファイルを使って一括解析を実行：

uv run batch-analysis batch analysis_config_template.csv

設定ファイルの項目

• mode: 解析モード（'earth' または 'deep_space'）
• altitude: 軌道高度 [km]（地球周回軌道の場合のみ）
• beta: ベータ角 [度]（地球周回軌道の場合のみ）
• sun_x, sun_y, sun_z: 太陽方向ベクトル（深宇宙の場合のみ）
• duration: 解析時間 [秒]
• num_orbits: 周回数（指定時はdurationより優先）
• temp_grid_interval: 温度プロファイルの等温線の間隔 [°C]（デフォルト: 5.0）
  • 温度プロファイルグラフの縦軸（温度軸）の目盛り間隔を指定
  • 小さい値を指定すると細かい温度変化が見やすくなる
  • 大きい値を指定すると全体的な温度傾向が把握しやすくなる
• output_dir: 出力ディレクトリ

ログファイル

• ファイル名：analysis_log.log
• 内容：
  • 解析実行時刻
  • 各解析の設定パラメータ
  • 実行状態（成功/エラー）
  • エラーが発生した場合はエラーメッセージ
• 特徴：
  • 追記モードで記録（既存のログを保持）
  • 解析を実行するたびに新しい結果が追加
  • 時系列での解析実行履歴を追跡可能

地球周回軌道の非定常解析

uv run multi-node-analysis --mode earth --altitude 600 --beta 0 --duration 40010 --output_dir output --temp-grid-interval 5.0

• --altitude：軌道高度 [km]
• --beta：ベータ角 [度]
• --num_orbits：解析する周回数（デフォルト1）
• --duration：解析時間 [秒]（指定時はnum_orbitsより優先度低、両方指定時はnum_orbits優先）
• --output_dir：出力ディレクトリ
• --temp-grid-interval：温度プロファイルの等温線の間隔 [°C]（デフォルト: 5.0）

深宇宙探査機の非定常解析

uv run multi-node-analysis --mode deep_space --sun_x 1 --sun_y 0 --sun_z 0 --duration 10010 --output_dir output --temp-grid-interval 5.0

• --sun_x, --sun_y, --sun_z：太陽方向ベクトル（衛星機体座標系、正規化不要）
• --duration：解析時間 [秒]（省略時は6000秒）
• --output_dir：出力ディレクトリ
• --temp-grid-interval：温度プロファイルの等温線の間隔 [°C]（デフォルト: 5.0）

出力ファイル

• temperature_data.csv：各面の温度履歴（摂氏）
• heat_input_data.csv：各面・各時刻の熱入力履歴
• view_factor_matrix.csv：ビューファクター行列
• rij_matrix.csv：放射伝達行列
• 温度プロファイルグラフ（3種類）：
  • temperature_panel.png：パネル温度のみ（PX, MX, PY, MY, PZ, MZ）
  • temperature_components.png：コンポーネント温度のみ
  • temperature_all.png：全温度（パネルとコンポーネント）
  • 特徴：
    • パネルは固定の色で表示（視覚的に区別しやすい色を選択）
    • コンポーネントはパネルと異なる色で自動的に割り当て
    • 等温線の間隔はデフォルトで5°C
• heat_balance.png：熱収支グラフ
• heat_input_by_surface.png：面ごとの熱入力グラフ
• orbit_visualization.png：軌道3D可視化（地球周回のみ）
• settings/：解析に使用した設定ファイルのコピー
  • constants.yaml：物理定数、衛星寸法、内部発熱、軌道・解析パラメータ
  • surface_properties.yaml：各面の表面材・割合・光学特性
  • material_properties.yaml：材料の熱物性値・パネル材料構成
  • component_properties.yaml：コンポーネントの熱物性値・取り付け情報
  • cij_matrix.csv：コンダクタンス行列を定義するCSVファイル

設定ファイル

settings/constants.yaml

• 物理定数、衛星寸法、内部発熱、軌道・解析パラメータなどを定義
• enable_albedo/enable_earth_irでアルベド・地球赤外の有効/無効を切替
• enable_conductanceでコンダクタンス行列の有効/無効を切替

settings/surface_properties.yaml

• 各面の表面材・割合・光学特性を定義

settings/material_properties.yaml

• 材料の熱物性値・パネル材料構成を定義

settings/cij_matrix.csv

• コンダクタンス行列を定義するCSVファイル
• 形式：
  • 1行目：面の名前（PX, MX, PY, MY, PZ, MZ）
  • 2行目以降：各面間のコンダクタンス値 [W/K]
  • 例：

    ,PX,MX,PY,MY,PZ,MZ
    PX,0,0.1,0.2,0,0.3,0
    MX,0.1,0,0,0.2,0,0.3
    PY,0.2,0,0,0.1,0.2,0
    MY,0,0.2,0.1,0,0,0.2
    PZ,0.3,0,0.2,0,0,0.1
    MZ,0,0.3,0,0.2,0.1,0
    

• 注意：
  • 対角成分は0（自身との熱伝導は考慮しない）
  • 対称行列である必要はない（方向性のある熱伝導を表現可能）
  • 値は正の実数（負の値は無効）

settings/component_properties.yaml

• コンポーネントの熱物性値と取り付け情報を定義
• 各コンポーネントの定義項目：
  • name: コンポーネントの表示名
  • mass: 質量 [kg]
  • specific_heat: 比熱 [J/kg/K]
  • mounting: 取り付け情報
    • panel: 取り付け面（PX, MX, PY, MY, PZ, MZ）
    • thermal_conductance: 締結部の熱コンダクタンス [W/K]
• 例：

  component_properties:
    BAT:  # バッテリ
      name: "Battery"
      mass: 2.1  # 質量 [kg]
      specific_heat: 700.0  # 比熱 [J/kg/K]
      mounting:
        panel: "MY"  # +Y面に取り付け
        thermal_conductance: 1.0  # 締結部の熱コンダクタンス
  

• 注意：
  • コンポーネントの追加は、このファイルに新しいエントリを追加するだけで可能
  • 温度プロファイルグラフでは、コンポーネントは自動的に色分けされる
  • 締結部の熱コンダクタンスが0の場合は、コンポーネントは取り付け面と熱的に絶縁

物理モデル・アルゴリズム

• 地球赤外・アルベドのビューファクターは球体モデル・Banister近似等を用いて厳密に計算
• 面間輻射はRij法で厳密に計算
• コンダクタンス行列による熱伝導計算（Cij * (Tj - Ti)の形式）
• 姿勢・軌道パラメータは設定ファイルまたはコマンドラインで柔軟に指定可能

温度データ比較機能

compare-temperature-dataコマンドを使用して、異なる解析結果間の温度データを比較できます。 想定は、ThermalDesktopのWrite Results Data to Text機能で出力したCSVと、本プログラムの出力データの比較です。

単一の比較を実行

uv run compare-temperature-data single <comparison/td/のCSVファイル> <output/配下のtemperature_data.csvファイル>

例：

uv run compare-temperature-data single comparison/td/test.csv output/earth_orbit_alt500.0_beta60.0/temperature_data.csv

複数の比較を一括実行

1. 比較設定のテンプレートファイルを作成：

uv run compare-temperature-data create-template

2. 作成されたcomparison_config_template.csvを編集して、比較したいファイルの組み合わせを記述：

td_file,output_file
comparison/td/test1.csv,output/earth_orbit_alt500.0_beta60.0/temperature_data.csv
comparison/td/test2.csv,output/earth_orbit_alt300.0_beta45.0/temperature_data.csv
comparison/td/test3.csv,output/earth_orbit_alt700.0_beta75.0/temperature_data.csv

3. 設定ファイルを使って一括比較を実行：

uv run compare-temperature-data batch comparison_config_template.csv

出力ファイル

比較結果はcomparison/ディレクトリに以下の形式で保存されます：

1. 差分データCSVファイル

• ファイル名：diff_<tdファイル名>_vs_<outputフォルダ名>.csv
• 内容：
  • Time [s]: 時間
  • PX [°C]_diff: PXノードの温度差分
  • MX [°C]_diff: MXノードの温度差分
  • PY [°C]_diff: PYノードの温度差分
  • MY [°C]_diff: MYノードの温度差分
  • PZ [°C]_diff: PZノードの温度差分
  • MZ [°C]_diff: MZノードの温度差分
  • MY_MLI [°C]_diff: MY_MLIノードの温度差分

2. RMSEログファイル

• ファイル名：comparison/comparison_rmse.log
• 内容：
  • 比較実行時刻
  • 比較元ファイルと比較先ファイルのパス
  • 各ノードの時間平均RMSE（二乗平均平方根誤差）
• 特徴：
  • 追記モードで記録（既存のログを保持）
  • 比較を実行するたびに新しい結果が追加
  • 時系列での比較結果の推移を追跡可能

ログファイルの例：

=== 比較実行時刻: 2024-03-21 15:30:45 ===
比較元: comparison/td/test.csv
比較先: output/earth_orbit_alt500.0_beta60.0/temperature_data.csv
各ノードの時間平均RMSE [°C]:
  PX [°C]: 1.234567
  MX [°C]: 2.345678
  PY [°C]: 1.876543
  MY [°C]: 2.123456
  PZ [°C]: 1.987654
  MZ [°C]: 2.234567
  MY_MLI [°C]: 1.765432
--------------------------------------------------

オプション

• --output-dir: 出力先ディレクトリを指定（デフォルト: comparison）

uv run compare-temperature-data single <td_file> <output_file> --output-dir custom_output
uv run compare-temperature-data batch <config_file> --output-dir custom_output