Корпус NASA HL-20 несущего тела
Введение
Это тематическое исследование моделирует корпус несущего тела NASA HL-20, недорогого дополнения к орбитальному аппарату Шаттла. HL-20 не приводится в действие, но модель включает и корпус и контроллер.
Для большинства проектов управления полетом корпус или модель объекта управления, должен моделироваться, моделироваться и анализироваться. Идеально, этот корпус должен быть смоделирован быстро, снова использовав блоки или образцовую структуру, чтобы уменьшать время валидации и оставить больше времени доступным для системы управления. В этом исследовании, программное обеспечение Aerospace Blockset™ эффективно фрагменты моделей корпуса HL-20. Остающиеся фрагменты, включая вычисление аэродинамических коэффициентов, моделируются с программным обеспечением Simulink®. Это тематическое исследование исследует модель корпуса HL-20 и затрагивает то, как аэродинамические данные используются в модели.
Несущее тело NASA HL-20
HL-20, также известный как Систему запуска персонала (PLS), является автомобилем возвращения несущего тела, разработанным, чтобы дополнить орбитальный аппарат Шаттла. Это было разработано первоначально как недорогое решение для получения к и от низкой околоземной орбиты. Это может нести до 10 человек и ограниченный груз [1].
Несущее тело HL-20 может быть помещено в орбиту или путем запуска его вертикально с ракетами-носителями или путем переноса его в отсеке полезной нагрузки орбитального аппарата Шаттла. Уходы с орбиты HL-20 несущего тела с помощью маленькой встроенной двигательной установки. Ее профиль возвращения является носом сначала, горизонталью, и неприводимый в действие.
Главный вид спереди несущего тела HL-20 (фотография: НАСА Лэнгли)
Проект HL-20 обладает многими преимуществами:
Быстрый благоприятный поворот между приземлением и запуском уменьшает эксплуатационные расходы.
HL-20 имеет исключительную безопасность рейса.
Это может приземлиться традиционно на взлетно-посадочные полосы самолета.
Потенциальное использование для HL-20 включает
Орбитальное спасение скрученных астронавтов
Смены экипажа международной космической станции
Миссии наблюдения
Миссии обслуживания спутника
Несмотря на то, что программа HL-20 не в настоящее время активна, аэродинамические данные из тестов HL-20 используются в текущих проектах НАСА [2].
Корпус HL-20 и модели контроллеров
Можно открыть корпус HL-20 и модели контроллеров путем ввода aeroblk_HL20 в командной строке MATLAB®.
Моделирование предположений и ограничений
Предварительные аэродинамические данные для несущего тела HL-20 взяты из документа TM4302 [1] НАСА.
Модель корпуса включает несколько ключевых предположений и ограничений:
Корпус принят, чтобы быть твердым и иметь постоянную массу, центр тяжести и инерцию, поскольку модель представляет только неприводимый в действие фрагмент возвращения миссии.
HL-20 принят, чтобы быть со стороны симметричным автомобилем.
Сжимаемость (Мах) эффекты принята, чтобы быть незначительной.
Эффективность управления принята, чтобы отличаться нелинейно с углом нападения и линейно с углом отклонения. Эффективность управления не зависит от угла заноса.
Нелинейные шесть степеней свободы аэродинамическая модель являются представлением ранней версии HL-20. Поэтому модель не предназначается для реалистической симуляции производительности более поздних версий HL-20.
Типичная модель корпуса состоит из многих компонентов, такой как
Уравнения движения
Модель окружающей среды
Вычисление аэродинамических коэффициентов, сил, и моменты
Подсистема корпуса модели HL 20 содержит пять подсистем, которые моделируют типичные компоненты корпуса:
6DOF (углы Эйлера) подсистема
6DOF (Углы Эйлера) подсистема содержит эти шесть уравнений степеней свободы движения для корпуса. В 6DOF (Углы Эйлера) подсистема, отношение тела распространено во время с помощью представления Угла Эйлера. Эта подсистема является одним из уравнений блоков движения от библиотеки Aerospace Blockset. Представление кватерниона также доступно. Смотрите страницы с описанием блока 6DOF (Euler Angles) и 6DOF (Quaternion) для получения дополнительной информации об этих блоках.
Подсистема модели окружающей среды
Подсистема Модели окружающей среды содержит следующие подсистемы и блоки:
Блок Model Силы тяжести WGS84 реализует математическое представление геоцентрического эквипотенциального эллипсоида Мировой Геодезической Системы (WGS84).
Смотрите страницу с описанием блока Model Силы тяжести WGS84 для получения дополнительной информации об этом блоке.
Блок Model Атмосферы COESA реализует математическое представление 1 976 Комитетов по Расширению Стандартной Атмосферы (COESA), стандарт понижает атмосферные значения для абсолютной температуры, давления, плотности и скорости звука, учитывая входную высоту геопотенциала.
Смотрите страницу с описанием блока Model Атмосферы COESA для получения дополнительной информации об этом блоке.
Подсистема Моделей Ветра содержит следующие блоки:
Блок Model Сдвига ветра добавляет сдвиг ветра в модель.
Смотрите страницу с описанием блока Model Сдвига ветра для получения дополнительной информации об этом блоке.
Дискретный блок Model Порыва ветра реализует порыв ветра стандарта “1 - косинус” форма.
Смотрите Дискретную страницу с описанием блока Model Порыва ветра для получения дополнительной информации об этом блоке.
Блок Dryden Wind Turbulence Model (Continuous) использует Драйдена спектральное представление, чтобы добавить турбулентность в космическую модель путем передачи ограниченного полосой белого шума через соответствующие фильтры формирования.
Смотрите страницу с описанием блока Dryden Wind Turbulence Model (Continuous) для получения дополнительной информации об этом блоке.
Модель окружающей среды реализует математические представления в стандартных ссылках, таких как американская Стандартная Атмосфера, 1976.
Модель окружающей среды в модели корпуса HL-20
Модели ветра в модели корпуса HL-20
Альфа, бета, подсистема Маха
Альфа, Бета, подсистема Маха вычисляет дополнительные параметры, необходимые для аэродинамического содействующего вычисления и поиска. Эти дополнительные параметры включают
Число Маха
Углы установки (
)Скорость полета
Динамическое давление
Альфа, Бета, подсистема Маха исправляет скорость тела для скорости ветра и исправляет уровни тела для ветра угловое ускорение.
Дополнительные вычисленные параметры для модели корпуса HL-20 (альфа, бета, подсистема Маха)
Аэродинамическая содействующая подсистема
Аэродинамическая Содействующая подсистема содержит аэродинамические данные и уравнения для вычисления шести аэродинамических коэффициентов, которые реализованы как в ссылке [1]. Шесть аэродинамических коэффициентов следуют.
| Cx | Коэффициент осевого усилия |
| Сай | Коэффициент силы стороны |
| Cz | Коэффициент нормальной силы |
| Статья | Коэффициент момента прокрутки |
| Cm | Коэффициент момента подачи |
| CN | Коэффициент момента отклонения от курса |
Земля и эффекты посадочного устройства не включены в эту модель.
Вклад каждого из этих коэффициентов вычислен в подсистемах (уровень тела, шаг привода и данная величина), и затем суммирован и передан подсистеме Сил и Моментов.
Аэродинамические коэффициенты в модели корпуса HL-20
Аэродинамические данные были собраны от испытаний в аэродинамической трубе, в основном на масштабированных моделях предварительной дозвуковой аэродинамической модели HL-20. Данные были кривой, адаптированной, и большинство аэродинамических коэффициентов описано полиномиальными функциями угла угла заноса и нападения. Всесторонние детали об аэродинамических данных и снижении объема данных могут быть найдены в ссылке [1].
Полиномиальные функции, содержавшиеся в файле aeroblk_init_hl20.m, используются, чтобы вычислить интерполяционные таблицы, используемые функцией предварительной нагрузки модели. Интерполяционные таблицы заменяют полиномиальные функции. В зависимости от порядка и реализации функции, с помощью интерполяционных таблиц может быть более эффективным, чем перевычисление значений на каждом временном шаге с функциями. Чтобы далее повысить эффективность, большинство таблиц реализовано как Поиск по индексу Перед поиском и Интерполяция (n-D) использование блоков Перед поиском. Эти блоки улучшают производительность больше всего, когда модель имеет много таблиц с идентичными точками останова. Эти блоки уменьшают число раз, модель должна искать точку останова в данном временном шаге. Если таблицы заполняются функцией предварительной нагрузки, аэродинамический коэффициент может быть вычислен.
Уравнения для вычисления шести аэродинамических коэффициентов разделены между тремя подсистемами:
Суммируя Коэффициенты Данной величины, Затухание Уровня Тела и подсистема Шага Привода, выходные параметры генерируют шесть аэродинамических коэффициентов, раньше вычисляли силы корпуса и моменты [1].
Содействующая Подсистема данной величины. Содействующая подсистема Данной величины вычисляет коэффициенты для базовой конфигурации без отклонения поверхности управления. Эти коэффициенты данной величины зависят только от углов установки тела.
Подсистема Затухания Уровня тела. Динамические производные движения вычисляются в подсистеме Затухания Уровня Тела.
Подсистема Шага привода. Интерполяционные таблицы определяют инкрементные изменения в коэффициентах из-за отклонений поверхности управления в подсистеме Шага Привода. Поверхности доступного элемента управления включают симметричные закрылки (лифт), дифференциальные закрылки (элероны), положительные откидные створки тела, отрицательные откидные створки тела, дифференциальные откидные створки тела и все-подвижный руководящий принцип.
Силы и Подсистема Моментов. Подсистема Сил и Моментов вычисляет массовые силы и моменты тела, действуя на корпус о центре тяжести. Эти силы и моменты зависят от аэродинамических коэффициентов, толкают, динамическое давление и ссылочные параметры корпуса.
Завершите модель
Эти подсистемы, которые вы исследовали завершенный корпус HL-20. Следующий шаг в процессе проектирования управления полетом должен анализировать, обрезать и линеаризовать корпус HL-20 так, чтобы система управления полетом могла быть разработана для него. Вы видите пример управления полетом автоматической посадки для корпуса HL-20 в примере aeroblk_HL20.
Ссылки
[1] Джексон, E. B. и К. Л. Крус, “Предварительная дозвуковая аэродинамическая модель для исследований симуляции несущего тела HL-20”, (август 1992) NASA TM4302.
Этот документ включен в Несущее тело файл HL-20 .zip, доступный из Центрального MATLAB.
[2] Morring, F., младший, “исследование 'спасательной лодки' ISS включает ELVs”, Aviation Week & Space Technology (20 мая 2002).