"Работа над проектом цифрового автопилота Lunar Module была подсветкой моей карьеры инженера. Когда Нил Армстронг вышел с LM (Лунный модуль) на поверхность Луны, каждый инженер, внёсший вклад в программу Apollo, почувствовал чувство гордости и достижения. Мы преуспели в достижении нашей цели. Мы разработали технологию, которой раньше не было, и благодаря напряженной работе и тщательному вниманию к деталям мы создали систему, которая работала безупречно ". -Richard J. Gran, The Apollo 11 Moon Landing: Проект космического аппарата тогда и сейчас
Этот пример показывает, как Ричард и другие инженеры, работавшие над командой проектировщиков 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, необходимого для первоначального проекта автопилота Apollo Lunar Module.
Подсистема Reaction Jet Control моделирует проект цифрового автопилота, предложенный (и реализованный) MIT Instrumentation Laboratories (MIT IL), теперь называемый Draper Labs. Схема Stateflow ® в модели задает логику, которая реализует алгоритм управления фазовой плоскостью, описанный в технической статье The Apollo 11 Moon Landing: Spaccraft Design Then and Now. В зависимости от того, какая область схемы выполняет Лунный модуль, схема Stateflow находится в Fire_region или Coast_region . Обратите внимание, что переходы между этими различными областями зависят от определенных параметров. Схема Stateflow определяет, следует ли переходить в другое состояние, и затем вычисляет, какие реактивные струи будут запускаться.
Поступательная и вращательная динамика Лунного модуля аппроксимированы в Lunar Module Dynamics подсистема. Доступ к различным методам визуализации состояний Лунного модуля и эффективности автопилота в Visualization область модели, включая осциллографы Simulink, анимацию с Simulink 3D Animation и график фазовой плоскости.
Для взаимодействия с моделью Lunar Module варьируйте настройки автопилота и начальные состояния Лунного модуля в Commands площадь. Для примера, чтобы наблюдать, как цифровой автопилот проекта указателей повышенной начальной частотой тела, используйте компоненты ползунка в Configure LM Attitude подсистема.
Цифровой автопилот LM имеет 3 степени свободы. Это означает, что по проекту реактивные реактивные двигатели сконфигурированы и приказаны вращать транспортное средство без воздействия на орбитальную траекторию транспортного средства. Поэтому поступательная динамика в этой модели аппроксимируется исключительно путем распространения орбиты с помощью модели гармонической гравитации Moon Zonal от Aerospace Blockset. Чтобы продемонстрировать поведение цифрового автопилота при проекте, из Apollo 11 Mission Report был выбран сегмент миссии «Descent Orbit Insertion», непосредственно перед началом снижения мощности.
Горение Descent Orbit Insertion началось через 101 часов, 36 минут и 14 секунд после подъема и продолжалось 30 секунд. Ожог вывел Лунный модуль на траекторию, чтобы опустить его орбиту примерно с 60 морских миль до 50 000 футов в течение часа. В 50 000 футов Модуль инициировал снижение мощности.
Инициализируйте модель aero_dap3dof с приблизительной траекторией Лунного модуля сразу после сгорания ввода спускаемой орбиты.
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 на входе на орбиту Спуска (Engine) и инициации спуска с питанием (Engine) представлена в отчете о миссии Apollo 11 (таблица 7-II.- 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
aero_dap3dof модели Simulink инициализируется для выравнивания с началом фазы миссии «Descent Orbit Insertion trajectory (Engine sectoff)». Откройте aero_dap3dof модель и запустите симуляцию.
Построение цифрового автопилота было сложной задачей в 1961 году, потому что для него было очень мало промышленной инфраструктуры - все о ней находилось в процессе изобретения. Вот выдержка из технической статьи The Apollo 11 Moon Landing: Spaccraft Design Then and Now:
"Одна из причин, по которой машинный код [автопилота] был настолько сложным, заключается в том, что количество струй, которые могли использоваться для управления вращениями вокруг осей управления, было большим. Было принято решение изменить оси, которыми управлял автопилот, на «струйные оси», показанные в aero_dap3dof. Это изменение резко уменьшило количество строк кода и значительно облегчило программирование автопилота в существующем компьютере. Без этого улучшения было бы невозможно использовать автопилот только 2000 слов памяти. Урок этого изменения заключается в том, что, когда инженерам предоставляется возможность кодировать компьютер с системой, которую они разрабатывают, они часто могут модифицировать проект, чтобы значительно улучшить код ".
[1] Национальный центр пилотируемых космических аппаратов Управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Группа оценки миссии. (ноябрь 1969 года). Apollo 11 Mission Report MSC-00171. Получено из < https://www.nasa.gov/specials/apollo50th/pdf/A11_MissionReport.pdf >
[2] Ричард Дж. Гран, MathWorks. (2019). The Apollo 11 Moon Landing: Космические аппараты Проекта тогда и сейчас. Получено из < https ://www.mathworks.com/company/newsletters/articles/the-apollo-11-moon-landing-spaccraft-design-then-and-now.html >