"Работа над дизайном цифрового автопилота" Лунный модуль "была изюминкой моей карьеры инженера. Когда Нил Армстронг вышел с ЛМ (Лунного Модуля) на поверхность Луны, каждый инженер, внесший свой вклад в программу Аполлона, почувствовал чувство гордости и достижения. Мы добились успеха в нашей цели. Мы разработали технологии, которых раньше никогда не было, и благодаря усердной работе и тщательному вниманию к деталям мы создали систему, которая работала безупречно ". - Ричард Дж. Гран, посадка на Луну «Аполлон-11»: проектирование космических аппаратов
Этот пример показывает, как Ричард и другие инженеры, работавшие над созданием цифрового автопилота Apollo Lunar Module, могли бы сделать это с помощью Simulink ® и Aerospace Blockset™, если бы они были доступны в 1961 году.
Разработка автопилота в Simulink занимает часть времени, которое потребовалось для оригинальной конструкции автопилота Apollo Lunar Module.
Подсистема управления реактивной струей моделирует цифровую конструкцию автопилота, предложенную (и реализованную) MIT Instrumentation Laboratories (MIT IL), которая теперь называется Draper Labs. Диаграмма Stateflow ® в модели определяет логику, которая реализует алгоритм управления фазовой плоскостью, описанный в технической статье The Apollo 11 Moon Landing: Space Design Then and Now. В зависимости от того, в какой области диаграммы выполняется лунный модуль, диаграмма Stateflow находится либо в Fire_region или Coast_region . Следует отметить, что переходы между этими различными областями зависят от определенных параметров. Диаграмма Stateflow определяет, следует ли переходить в другое состояние, а затем вычисляет, какие реактивные струи запустить.
Поступательная и вращательная динамика Лунного модуля аппроксимированы в Lunar Module Dynamics подсистема. Доступ к различным методам визуализации состояний лунного модуля и производительности автопилота в Visualization область модели, включая области Simulink, анимацию с помощью Simulink 3D Animation и график фазовой плоскости.
Чтобы взаимодействовать с моделью лунного модуля, измените настройки автопилота и начальные состояния лунного модуля в Commands область. Например, чтобы наблюдать, как цифровая конструкция автопилота обрабатывает увеличенные начальные скорости тела, используйте компоненты ползунка в Configure LM Attitude подсистема.
Цифровой автопилот LM имеет 3 степени свободы. Это означает, что по конструкции реактивные реактивные двигатели малой тяги выполнены с возможностью вращения аппарата без воздействия на орбитальную траекторию аппарата. Поэтому поступательная динамика в этой модели аппроксимируется исключительно посредством распространения по орбите с использованием модели гравитации Лунной зонной гармоники из аэрокосмического блока. Чтобы продемонстрировать поведение конструкции цифрового автопилота, сегмент миссии «Descent Orbit Insertation», непосредственно перед началом снижения с питанием, был выбран из Apollo 11 Mission Report.
Горение Descent Orbit Insertation началось через 101 часов, 36 минут и 14 секунд после подъема и продолжалось 30 секунд. Огонь вывел Лунный модуль на траекторию снижения его орбиты примерно с 60 морских миль до 50 000 футов в течение часа. На 50 000 футов Модуль начал свой спуск.
Инициализация модели aero_dap3dof с приблизительной траекторией Лунного модуля сразу после горения ввода орбиты снижения.
MissionTime_GMT MissionPhase
____________________ _____________________________________________
16-Jul-1969 13:32:00 {'Range Zero (lift-off)' }
20-Jul-1969 19:08:14 {'Descent Orbit Insertion (Engine ignition)'}
20-Jul-1969 19:08:44 {'Descent Orbit Insertion (Engine cutoff)' }
20-Jul-1969 20:05:05 {'Powered Descent (Engine ignition)' }
Траектория модуля во вставке орбиты Спуска (Сокращение двигателя) и Приведенное в действие инициирование спуска (Зажигание двигателя) обеспечена в Отчете о Миссии Аполлона 11 (7-II Стол. - Параметры траектории).
Var1 Latitude_deg Longitude_deg Altitude_mi Altitude_ft Velocity_fps
___________________________________________ ____________ _____________ ___________ ___________ ____________
{'Descent Orbit Insertion (Engine cutoff)'} -1.16 -141.88 57.8 3.512e+05 5284.9
{'Powered Descent (Engine ignition)' } 1.02 39.39 6.4 38887 5564.9
Модель Simulink aero_dap3dof инициализируется в соответствии с началом фазы миссии «Траектория вставки орбиты спуска (отсечение двигателя)». Откройте модель aero_dap3dof и запустите моделирование.
Создание цифрового автопилота было сложной задачей в 1961 году, потому что для него было очень мало промышленной инфраструктуры - все про него находилось в процессе изобретения. Вот выдержка из технической статьи The Apollo 11 Moon Landing: Space Design Then and Now:
"Одна из причин, по которой машинный код [автопилота] был настолько сложным, заключается в том, что количество струй, которые можно было бы использовать для управления вращениями вокруг пилотных осей, было большим. Было принято решение об изменении осей, которыми управлял автопилот, на «реактивные оси», показанные на aero_dap3dof. Это изменение резко уменьшило количество строк кода и значительно облегчило программирование автопилота в существующем компьютере. Без этого улучшения было бы невозможно, чтобы автопилот использовал только 2000 слов хранения. Урок этого изменения заключается в том, что когда инженерам предоставляется возможность кодировать компьютер с помощью системы, которую они разрабатывают, они часто могут изменять конструкцию, чтобы значительно улучшить код ".
[1] Центр пилотируемых космических аппаратов Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Группа по оценке полетов. (ноябрь 1969). Отчет о миссии «Аполлон-11» MSC-00171. Получено из < https://www.nasa.gov/specials/apollo50th/pdf/A11_MissionReport.pdf >
[2] Ричард Дж. Гран, MathWorks. (2019). Посадка на Луну «Аполлон-11»: проектирование космических аппаратов - тогда и сейчас. Получено по адресу < https ://www.mathworks.com/company/newsletters/articles/the-apollo-11-moon-landing-space-design-then-and-now.html >