美国宇航局HL-20提升体机身
介绍
本案例研究模拟了美国宇航局HL-20提升体的机身，这是航天飞机轨道器的低成本补充。HL-20是无动力的，但该模型包括机身和控制器。
对于大多数飞行控制设计，需要对机身或工厂模型进行建模、仿真和分析。理想情况下，该机身应快速建模，重用块或模型结构，以减少验证时间，并为控制设计留出更多时间。在这项研究中，Aerospace Blockset™软件有效地对HL-20机身的部分进行了建模。其余部分，包括气动系数的计算，用Simulink进行建模金宝app®软件本案例研究考察了HL-20机身模型，并触及了如何在模型中使用空气动力学数据。
NASA HL-20提升体
HL-20，也称为人员发射系统(PLS)，是一种升力体再入运载工具设计去补充航天飞机轨道器。它最初是作为一种低成本的解决方案开发的，用于进出低地球轨道。它最多可以搭载10个人和有限的货物[1]．
HL-20提升体可以通过用助推器火箭垂直发射或通过在航天飞机轨道器的有效载荷舱内运输放置在轨道上。HL-20提升体使用小型机载推进系统脱离轨道。它的再入轮廓是机头朝前，水平，无动力。
HL-20升降体的正上方视图(图片来源:NASA Langley)
HL-20的设计有很多优点:
在着陆和发射之间的快速周转减少了操作成本。
HL-20具有卓越的飞行安全性。
它可以常规降落在飞机跑道上。
HL-20的潜在用途包括
轨道救援受困宇航员
国际空间站人员交流
观察任务
卫星服务任务
虽然HL-20计划目前没有活动，但HL-20测试的空气动力学数据正在当前的NASA项目中使用[2]．
HL-20机身和控制器模型
开放HL-20机身和控制器模型。
建模假设和局限性
HL-20升力体的初步空气动力学数据取自NASA文件TM4302[1]．
机体模型包含几个关键假设和限制:
假设机身是刚性的，具有恒定的质量、重心和惯性，因为模型只代表任务的无动力再入部分。
HL-20被认为是一个横向对称的车辆。
假定可压缩性(马赫数)的影响可以忽略不计。
假设控制效果随攻角非线性变化，随偏转角线性变化。控制效果不依赖于侧滑角。
非线性六自由度空气动力学模型是HL-20早期版本的代表。因此，该模型并不打算用于HL-20后期版本的真实性能模拟。
典型的机身模型由许多部件组成，例如
运动方程
环境模型
气动系数，力和力矩的计算
HL-20机型的机体分系统包含五个分系统，它们模拟了典型的机体部件:
-
HL-20机体子系统
6DOF(欧拉角)子系统
6DOF(欧拉角)子系统包含机身的六自由度运动方程。在6DOF(欧拉角)子系统中，身体姿态使用欧拉角表示进行时间传播。该子系统是Aerospace Blockset库中的运动块方程之一。四元数表示也可用。看到6DOF(欧拉角)和6自由度(四元数)有关这些块的更多信息的块参考页面。
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重力模型块实现了世界大地测量系统(WGS84)地心等势椭球体的数学表示。
看到WGS84重力模型有关此块的更多信息的块参考页面。
COESA大气模型块实现了1976年标准大气扩展委员会(COESA)给出输入位势高度的绝对温度、压力、密度和声速的标准低大气值的数学表示。
看到COESA大气模式有关此块的更多信息的块参考页面。
风模型子系统包含以下模块:
风切变模型块将风切变添加到模型中。
看到风切变模型有关此块的更多信息的块参考页面。
离散阵风模型块实现了标准“1 -余弦”形状的阵风。
看到离散阵风模型有关此块的更多信息的块参考页面。
Dryden风湍流模型(连续)块使用Dryden谱表示，通过适当的形成滤波器传递带限白噪声，将湍流添加到航空航天模型中。
看到Dryden风湍流模式(连续)有关此块的更多信息的块参考页面。
环境模型在标准参考中实现数学表示，例如1976年的美国标准大气。
HL-20机身模型中的环境模型
HL-20机体模型中的风模型
阿尔法，贝塔，马赫子系统
Alpha, Beta, Mach子系统计算气动系数计算和查找所需的附加参数。这些附加参数包括
马赫数
入射角(
）空速
动压
阿尔法，贝塔，马赫子系统根据风速校正机体速度并根据风角加速度校正机体速率。
HL-20机体模型(Alpha, Beta, Mach子系统)的附加计算参数
气动系数分系统
气动系数分系统包含气动数据和六个气动系数的计算公式，具体实现参考[1]．接下来是六个空气动力系数。
| 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 |
地面和起落架的影响不包括在这个模型中。
在子系统中计算每个系数的贡献(身体速率、执行器增量和基准)，然后求和并传递给力和力矩子系统。
HL-20机体模型气动系数
气动数据主要是在HL-20初步亚音速气动模型的比例模型上进行的风洞试验中收集的。数据采用曲线拟合，气动系数大多用攻角和侧滑角的多项式函数来描述。关于气动数据和数据缩减的深入细节可以在参考文献中找到[1]．
中包含的多项式函数aeroblk_init_hl20.m文件用于计算模型的预加载函数使用的查找表。查找表代替多项式函数。根据函数的顺序和实现，使用查找表可能比使用函数在每个时间步重新计算值更有效。为了进一步提高效率，大多数表都使用prelookup块实现为预查找索引搜索和插值(n-D)。当模型具有许多具有相同断点的表时，这些块最能提高性能。这些块减少了模型在给定时间步长中搜索断点的次数。一旦表中填入预载荷函数，气动系数就可以计算出来。
计算六个气动系数的方程分为三个子系统:
将基准系数、体率阻尼和致动器增量子系统输出的总和生成用于计算机身力和力矩的六个气动系数[1]．
基准系数子系统。基准系数子系统计算无控制面偏转的基本构型系数。这些基准系数只取决于物体的入射角。
体率阻尼子系统。在体率阻尼子系统中计算动态运动导数。
致动器增量子系统。查找表确定由于致动器增量子系统中的控制面偏转而导致的系数的增量变化。可用的控制面包括对称翼襟翼(升降舵)、差动翼襟翼(副翼)、正体襟翼、负体襟翼、差动体襟翼和全活动舵。
力和力矩子系统。力和矩子系统计算作用在机身上的关于重心的力和矩。这些力和力矩取决于气动系数、推力、动压和参考机身参数。
完成模型
你检查的这些子系统完成了HL-20的机身。飞行控制设计过程的下一步是分析、修剪和线性化HL-20机身，以便为其设计飞行控制系统。你可以看到一个HL-20机身自动着陆飞行控制的例子aeroblk_HL20的例子。
参考文献
b[1] Jackson, E. B.和C. L. Cruz，“HL-20升力体模拟研究的初步亚音速气动模型”，NASA TM4302(1992年8月)。
[2] moring, F.， Jr.，“国际空间站‘救生艇’研究包括elv，”航空周刊与空间技术(2002年5月20日)。
