NASA HL-20解除身体机体
介绍
这个案例研究模型的机身NASA HL-20提升身体,航天飞机轨道器的低成本的补充。HL-20非机动的,但模型包括机体和控制器。
对于大多数飞行控制设计,机身,或者植物模型,需要建模,模拟和分析。理想情况下,这个机身应该快速建模,重用块或模型结构减少验证时间,把更多的时间用于控制设计。在这项研究中,航空航天Blockset™软件有效地模型HL-20机体的一部分。剩下的部分,包括空气动力系数的计算,建模与仿真软件万博1manbetx®软件。这个案例研究探讨了HL-20机身模型和涉及如何使用气动数据的模型。
NASA HL-20解除身体
HL-20,也称为人员发射系统(PLS),是一个提升身体再入飞行器设计补充航天飞机轨道器。这是最初是开发一种低成本的解决方案和从低地球轨道。它可以搭载多达10人,有限的货物[1]。
HL-20解除身体可以放置在轨道上通过与助推火箭发射垂直或运输的有效载重舱的航天飞机轨道器。HL-20解除身体脱离轨道使用小型机载推进系统。它再入概要鼻子首先,水平,无动力的。
HL-20解除身体的前视图(图:美国国家航空航天局兰利)
HL-20设计有许多好处:
着陆和发射之间的快速周转降低运营成本。
HL-20特殊飞行安全。
它可以土地传统飞机跑道。
HL-20包括潜在的用途
轨道宇航员营救被困
国际空间站工作人员交流
观察任务
卫星服务任务
虽然HL-20项目目前不是活动的,从HL-20气动数据测试被用于当前美国国家航空航天局的项目[2]。
HL-20机身和控制器模型
你可以打开HL-20机身和控制器模型通过输入aeroblk_HL20在MATLAB®命令行。
建模假设和局限性
初步气动数据HL-20解除身体TM4302来自NASA的文档[1]。
机身模型包含了几个关键假设和限制:
机身被假定为刚性和质量不变,重心,和惯性,因为模型只占非机动的再入部分的任务。
HL-20被认为是一种横向对称的车辆。
压缩(马赫)效应被认为是微不足道的。
控制有效性假设与攻角变化非线性和线性偏转角度。控制效果不依赖于侧滑角。
的非线性六个自由度的动力学模型是一个表示HL-20的一个早期版本。因此,模型不是用于真实的性能仿真HL-20的后来的版本。
典型的机身模型由若干组件,如
运动方程
环境模型
计算空气动力系数、力和时刻
机身HL-20模型包含五个子系统的子系统,哪种模式典型的机体组件:
-
HL-20机身子系统
6自由度(欧拉角)子系统
6自由度(欧拉角)子系统包含六个自由度的运动方程的机身。6自由度(欧拉角)子系统,身体的态度及时传播使用欧拉角表示。这个子系统是一个运动方程的块从航空Blockset图书馆。也可用四元数表示。看到6自由度(欧拉角)和6自由度(四元数)对这些积木块参考页面获取更多信息。
环境模型子系统
环境模型子系统包含以下子系统和模块:
WGS84重力模型块实现了地心等位的数学表示世界大地系统椭球(WGS84)。
看到WGS84重力模型更多的信息在这个块的引用页。
COESA大气模型块实现的数学表示1976年委员会扩展标准大气(COESA)标准大气绝对温度的值较低,压力、密度、声速,给定输入位势高度。
看到COESA大气模型更多的信息在这个块的引用页。
风模型子系统包含以下模块:
块增加了风切变风切变模型到模型中。
看到风切变模型更多的信息在这个块的引用页。
离散阵风模型块实现了风速标准的“1 - cos”形状。
看到离散风速模型更多的信息在这个块的引用页。
德莱顿风湍流模型(连续)块使用德莱顿光谱表征湍流添加到航空航天模型通过限带白噪声通过适当的过滤器。
看到德莱顿风湍流模型(连续)更多的信息在这个块的引用页。
标准引用中环境模型实现的数学表示,美国标准大气等,1976年。
环境模型HL-20机身模型
风模型HL-20机身模型
α,β,马赫子系统
α,β,马赫子系统计算其他参数所需的空气动力系数计算和查找。这些额外的参数包括
马赫数
入射角度(
)空速
动压
α,β,马赫子系统纠正身体速度对风速和纠正身体利率风角加速度。
额外的计算参数HL-20机身模型(α,β,马赫子系统)
空气动力系数子系统
空气动力系数子系统包含空气动力数据和公式计算6个空气动力系数,实现为在参考[1]。六个空气动力系数。
| Cx | 轴向力系数 |
| Cy | 侧向力系数 |
| Cz | 法向力系数 |
| Cl | 滚动力矩系数 |
| C米 | 俯仰力矩系数 |
| Cn | 偏航力矩系数 |
地面和起落架效果并不包含在这个模型。
这些系数的贡献的计算子系统(身体速度、传动装置增量和基准面),然后总结和传递到部队时刻子系统。
空气动力系数HL-20机身模型
空气动力数据搜集自风洞测试,主要是按比例缩小的模型的初步HL-20的亚音速气动模型。数据的曲线拟合,多项式描述的空气动力系数是攻角和侧滑角的函数。深入细节减少空气动力数据和数据中可以找到参考[1]。
中包含的多项式函数aeroblk_init_hl20.m所使用的文件是用来查找表计算模型的预加载功能。查找表代替多项式函数。根据秩序和实现的功能,使用查找表可以更有效率比重新计算值在每个时间步的功能。为了进一步提高效率,大多数表实现为PreLook-up索引搜索和插值(一天)使用PreLook-up块。这些块提高性能最当模型有很多表相同的断点。这些块减少的次数模型寻找断点在给定的时间步长。一旦表填充的预加载功能,空气动力系数可以计算。
计算6个空气动力系数的方程是分给三个子系统:
总结基准系数、身体比例阻尼和致动器的增量子系统输出生成6个空气动力系数用于计算机体力量和时间[1]。
基准系数子系统。基准系数子系统计算系数的基本配置没有操纵面偏转。这些基准系数只取决于身体的入射角度。
身体比例阻尼子系统。体内的动态运动衍生品计算速度阻尼子系统。
致动器增量子系统。查找表确定增量的变化系数由于执行机构的控制表面变形量增量子系统。可以控制表面包括对称翼襟翼(电梯)、微分翅(副翼),正面的身体襟翼,负面的身体襟翼,差动副翼,all-movable舵。
力和时刻子系统。力和时刻子系统计算身体力量和身体时刻作用于机体重心。这些力量,时刻依靠空气动力系数、推力,动压和参考机身参数。
完整的模型
这些子系统检查完成HL-20机身。飞行控制设计过程的下一步是分析,修剪,使HL-20机身线性化,这样可以设计飞行控制系统。你可以看到的一个例子自动降落飞行控制的HL-20机身aeroblk_HL20的例子。
引用
[1]杰克逊,e . B。和c·l·克鲁兹,“初步亚音速气动模型的模拟研究HL-20解除身体,”NASA TM4302(1992年8月). .
[2]铁道部,F。,“ISS救生艇的研究包括法国,”航空周刊与空间技术(2002年5月20日)。
