维珍轨道模拟发射一级分离事件
挑战
模拟LauncherOne航天器的分离事件，以确保分离结构之间有足够的间隙
解决方案
使用MATLAB、Sim万博1manbetxulink和Simscape Multibody对结构组件进行建模，自动化蒙特卡罗模拟，并分析和可视化结果
结果
- 模拟完成速度提高了10倍
- 模拟设置时间减少高达90%
- 根据仿真结果进行硬件设计
“与我们考虑的替代方案相万博1manbetx比，MATLAB和Simulink为我们节省了约90%的成本，同时使我们能够灵活地开发自己的模块，并充分理解所做的假设，这在向其他团队报告结果时至关重要。”
帕特里克·哈维，维珍轨道公司
维珍轨道公司(Virgin Orbit)的“一号火箭”(LauncherOne)正在组装(上)，其爆炸视图显示了整流罩、有效载荷以及一级和二级(下)。
LauncherOne是维珍轨道公司的两级运载火箭，用于将小型卫星送入近地轨道。为了降低成本和增加发射位置的灵活性，LauncherOne被设计为从飞行中的747-400舰载机上空投。每次任务都将涉及几个关键的分离事件，包括发射器一号与其运载飞机的分离，第一级与第二级的分离，第二级的整流罩分离，以及第二级的卫星有效载荷分离。
为了确保分离结构之间有足够的间隙，维珍轨道公司的工程师使用了Simulink万博1manbetx®和Simscape Multibody™来建模和模拟LauncherOne分离事件。除了最大限度地降低碰撞风险外，仿真结果还可用于航天器结构部件和分离机构的设计决策。
维珍轨道公司的副工程师帕特里克·哈维说:“我们考虑了几种建模和仿真选择，包括开源库和昂贵的商业软件包。”“万博1manbetxSimulink和Simscape Multibody提供了两种选择中的最佳选择:开源的灵活性——没有陡峭的学习曲线——和商业解决方案的信心和节省时间的优势——没有高成本。”万博 尤文图斯
挑战
当LauncherOne的结构设计仍在开发中时，Harvey和他的团队不得不在分离事件分析中考虑许多未知因素，包括每个组件的质量特性，以及用于启动分离的气动和弹簧推杆的力和定时特性。该团队需要运行数千次蒙特卡罗模拟，同时改变这些不确定参数的值，以确定特定参数组合是否会导致碰撞。
由于需要如此多的模拟，该团队希望自动化模拟过程，并在多个计算核心上同时运行模拟。由于现有的仿真系统无法实现自动化或并行处理，该团队开始寻找替代方案。开源解决方案需要很长时间万博 尤文图斯来验证和定制，而定制的多体动力学仿真软件包过于昂贵且难以定制。
解决方案
维珍轨道工程师使用Simulink和Simscape Multibody对LauncherOne一级和有效载荷分离事件进行建模和仿真，并使用并行计算工具箱™在多核处理器上并行运行仿真。万博1manbetx
在Simulink与S万博1manbetximscape Multibody中工作，团队构建了一个由基本3D形状组成的初步模型，包括球体，锥体和圆柱体。
在这些早期的模拟中，他们使用二维横截面和二维距离方程来测量间隙。然后，他们在MATLAB中实现了Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK)碰撞检测算法®来计算3D物体之间的距离。该团队的实现基于从MathWorks文件交换下载的算法。
接下来，小组从他们的CAD软件中导出了结构部件的点云。他们创建了一个MATLAB应用程序，该应用程序使用每个组件的导出数据在Simscape Multibody中创建等效的3D凸壳。
在通过手动启动模拟验证模型后，该团队创建了第二个MATLAB应用程序，该应用程序使用并行计算工具箱在多个处理核心上自动进行蒙特卡罗模拟。
这个应用程序读取50到100个模拟参数，以及它们的值分布和限制，从微软®Excel®电子表格。然后，它在改变参数值的情况下运行多达1000次模拟，并保存结果(通常是几gb的数据)，以便在MATLAB中进行后处理。
在后处理过程中，团队使用Simscape Multibody中的力学资源管理器工具来可视化组件的物理运动，检查组件碰撞或在阈值距离内通过的任何模拟场景。
仿真结果提供给维珍轨道硬件设计工程师以及制导、导航和控制(GNC)工程师，他们使用Simulink开发和仿真控制算法。万博1manbetx
该团队目前正在模拟空投分离事件，这将包括一个空气动力和影响的模型。该团队还在为航天器的首次发射做准备，根据飞行硬件的地面测试结果完善模型。
结果
- 模拟完成速度提高了10倍．“使用Sim万博1manbetxulink和Simscape Multibody，我们可以简化假设和并行处理，将模拟时间从几天减少到几小时，”Harvey说。“同样重要的是，我们可以自动化模拟，这样它们就可以在后台或夜间运行，并在早上等待我们的结果。”
- 模拟设置时间减少高达90%。“每次模拟运行都需要设置50到100个变量，”哈维说。“我们使用MATLAB和Simulin万博1manbetxk从电子表格中读取这些变量，这使得准备模拟变得容易，并将设置时间减少了5到10倍。”
- 根据仿真结果进行硬件设计。Harvey说:“我们使用Simulink模万博1manbetx拟的结果来决定支架的大小和几何形状的变化。“结果还帮助我们了解可以放松哪些公差以简化制造，必须收紧哪些公差以确保足够的分离间隙。”
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