主要内容

NASA HL-20起重机体

简介

这个案例研究模拟了NASA HL-20起重体的机身，这是对航天飞机轨道飞行器的低成本补充。HL-20是无动力的，但是模型包括机身和控制器。

对于大多数飞行控制设计，机身或设备模型需要建模、模拟和分析。理想情况下，该机身应该快速建模，重用模块或模型结构，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™软件有效地建模HL-20机身的各个部分。其余部分，包括气动系数的计算，都是用Simulink建模的金宝app®软件本案例研究检验了HL-20机体模型，并涉及如何在模型中使用气动数据。

NASA HL-20升降体

HL-20，也被称为人员发射系统(PLS)，是一种提升体再入飞行器，设计用于补充航天飞机轨道飞行器。它最初是作为往返近地轨道的低成本解决方案开发的。它最多可以搭载10人和有限的货物[1]．

HL-20提升体可以通过用助推火箭垂直发射或在航天飞机轨道飞行器的有效载荷舱内运输来放置在轨道上。HL-20提升体使用一个小型机载推进系统脱离轨道。它的再入剖面是机头朝前，水平，无动力。

HL-20提升体的前视图(图片来源:NASA Langley)

HL-20设计有一些好处:

  • 着陆和发射之间的快速周转降低了运营成本。

  • HL-20具有特殊的飞行安全性。

  • 它可以在飞机跑道上常规降落。

HL-20的潜在用途包括

  • 受困宇航员的轨道救援

  • 国际空间站人员交流

  • 观察任务

  • 卫星服务任务

虽然HL-20项目目前尚未启动，但来自HL-20测试的空气动力学数据正在NASA当前的项目中使用[２]．

HL-20机身和控制器模型

开放HL-20机身和控制器模型。

建模假设和限制

HL-20起重体的初步空气动力学数据取自NASA文件TM4302[1]．

机身模型包含几个关键假设和限制:

  • 机身被假定为刚性的，具有恒定的质量、重心和惯性，因为该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飞行器。

  • 可压缩性(马赫)的影响可以忽略不计。

  • 假设控制效果与攻角呈非线性变化，与偏转角呈线性变化。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，该模型不打算用于HL-20后期型号的实际性能模拟。

典型的机身模型由许多部件组成，例如

  • 运动方程

  • 环境模型

  • 计算空气动力学系数，力和力矩

HL-20型的机体子系统包含5个子系统，分别对典型机体部件进行建模:

6DOF(欧拉角)子系统

6DOF(欧拉角)子系统包含机体的六自由度运动方程。在6DOF(欧拉角)子系统中，使用欧拉角表示方式实时传播身体姿态。该子系统是Aerospace Blockset库中的运动方程块之一。四元数表示也可用。看到6DOF(欧拉角)而且6自由度(四元数)有关这些块的更多信息的块参考页。

环境模型子系统

环境模型子系统包含以下子系统和块:

  • 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。

  • COESA大气模型块实现了1976年标准大气推广委员会(COESA)标准的绝对温度、压力、密度和声速的较低大气值的数学表示，给定输入的地球势高度。

    看到COESA大气模式有关此块的更多信息的块参考页。

  • Wind Models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。

    • 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。

    • 德莱顿风湍流模型(连续)块使用德莱顿谱表示，通过适当的形成滤波器通过带限白噪声，将湍流添加到航空航天模型。

      看到德莱顿风湍流模型(连续)有关此块的更多信息的块参考页。

环境模型在标准参考文献中实现数学表示，例如1976年的美国标准大气。

HL-20机体模型中的环境模型

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

Alpha, Beta，马赫子系统根据风速修正身体速度，并根据风角加速度修正身体速度。

HL-20机身模型的附加计算参数(Alpha, Beta, Mach子系统)

气动系数子系统

空气动力系数子系统包含计算六个空气动力系数的空气动力数据和方程，这些都是参考的[1]．下面是六个空气动力学系数。

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、驱动器增量和基准)，然后求和并传递给力和力矩子系统。

HL-20机体模型的气动系数

气动数据是从风洞试验中收集的，主要是在HL-20初步亚音速气动模型的比例模型上。对数据进行了曲线拟合，大部分气动系数用迎角和侧滑角的多项式函数描述。有关气动数据和数据约简的详细信息可以在参考文献中找到[1]．

多项式函数包含在aeroblk_init_hl20.m文件用于计算模型的预加载函数所使用的查找表。查找表代替多项式函数。根据函数的顺序和实现，使用查找表比在函数的每个时间步骤中重新计算值更有效。为了进一步提高效率，大多数表使用预查找块实现为预查找索引搜索和插值(n-D)。当模型中有许多具有相同断点的表时，这些块可以最大程度地提高性能。这些块减少了模型在给定时间步骤中搜索断点的次数。一旦表被预载函数填充，就可以计算空气动力系数。

计算六个气动系数的方程分为三个子系统:

将基准系数、机身速率阻尼和执行器增量子系统输出相加，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。基准系数子系统在没有控制面偏转的情况下计算基本配置的系数。这些基准系数只取决于物体的入射角。

身体速率阻尼子系统。在体率阻尼子系统中计算动态运动导数。

执行器增量子系统。查找表确定由于执行器增量子系统中的控制面偏转而导致的系数增量变化。可用的控制面包括对称翼襟翼(电梯)，差动翼襟翼(副翼)，正体襟翼，负体襟翼，差动体襟翼，和一个全可移动的方向舵。

力和力矩子系统。力和力矩子系统计算作用在机体重心上的体力和体力矩。这些力和力矩取决于气动系数、推力、动压力和参考机身参数。

完成模型

这些子系统，你已经检查了完整的HL-20机身。飞行控制设计过程的下一步是分析、修整和线性化HL-20机身，以便为其设计飞行控制系统。你可以看到HL-20机身自动着陆飞行控制的一个例子aeroblk_HL20的例子。

参考文献

[1] Jackson, E. B.和C. L. Cruz，“HL-20提升体模拟研究的初步亚音速气动模型”，NASA TM4302(1992年8月)。

[2] Morring, F.， Jr.，“国际空间站的“救生艇”研究包括elv，”《航空周刊与空间技术》(2002年5月20日)

外部网站