处女轨道模拟发射一级分离事件

挑战

为LauncherOne航天器模拟分离事件,以确保分离结构之间有足够的间隙

解决方案

使用MATLAB、Sim金宝appulink和Simscape Multibody对结构组件进行建模,自动进行蒙特卡罗仿真,并分析和可视化结果

结果

  • 模拟速度快了10倍
  • 削减仿真设置时间高达90%
  • 硬件设计以仿真结果为依据

“与我们考虑的备选方案相金宝app比,MATLAB和Simulink为我们节省了大约90%的成本,同时为我们开发自己的模块提供了编码灵活性,使我们能够完全理解所做的假设,这在向其他团队报告结果时是必不可少的。”

帕特里克·哈维,维珍轨道公司

处女轨道的LauncherOne车辆组装(上),用分解图表示整流罩,有效负载和第一阶段和第二阶段(底部)。


LauncherOne是处女轨道的交付小卫星送入近地轨道两级运载火箭。为了降低成本和提高发射地点的灵活性,LauncherOne的设计是从747-400架飞机在飞行中空投。每个任务将需要几个关键分离事件,包括LauncherOne从其载机的分离,从所述第二的第一阶段,从所述第二整流罩,并从第二卫星有效载荷。

为了确保分离结构之间足够的间隙,维珍轨道工程师使用Simulink的金宝app®和Simscape Multibody™来建模和模拟LauncherOne分离事件。除了最小化碰撞风险外,仿真结果还可用于指导航天器结构部件和分离机制的设计决策。

维珍轨道公司的副工程师帕特里克•哈维表示:“我们考虑了几种建模和仿真选项,包括开源库和昂贵的商业软件包。”“金宝appSimulink和Simscape Multibody提供了两种选择中最好的:开放源代码的灵活性——没有陡峭的学习曲线——和商业解决方案的信心和时间节省优势——没有高成本。”金宝搏官方网站

挑战

当LauncherOne的结构设计仍然在开发中,哈维和他的团队不得不考虑在分离事件的分析了一些未知的,包括每个组件的气动和弹簧的质量特性,以及在部队和时序特性推进器用于启动分离。需要团队运行成千上万的蒙特卡洛模拟的,而改变这些不确定参数的值,以确定具体的参数组合是否会导致冲突。

由于需要进行如此多的模拟,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。由于现有的模拟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。开源解决方案将花费太长时金宝搏官方网站间来验证和定制,而定制的多体动力学仿真软件包成本太高,而且难以定制。

解决方案

维珍轨道工程师建模和仿真LauncherOne阶段,并与Simulink和多体的Simscape有效载荷分离的事件,使用并行计算工具箱™在多核处理器上并行运行模拟。金宝app

在Simulink中,金宝app该团队使用Simscape Multibody构建了一个初步的模型,该模型由基本的3D形状组成,包括球体、圆锥和圆柱体。

在这些早期的模拟中,他们使用二维截面和二维距离方程来测量间隙。然后他们在MATLAB中实现了一个Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK)碰撞检测算法®来计算3D对象之间的距离。该小组根据他们从MathWorks的文件交换下载的算法实现。

接下来,该集团出口的点云从他们的CAD软件的结构组件。他们创建的使用导出的数据为每个组件来创建的Simscape多体的等效3D凸包一个MATLAB应用程序。

验证通过手动启动仿真模型后,团队创建的第二MATLAB应用程序,自动化Monte Carlo模拟使用并行计算工具箱多个处理核。

此应用读取50〜100模拟参数及其值分布和限制沿,从一个Microsoft®Excel®电子表格。然后,它运行高达1000级仿真,同时改变的参数值,并将结果保存-通常,几千兆字节的数据在MATLAB后处理。

在后期处理过程中,团队检查了所有组件相互碰撞或在阈值距离内通过的模拟场景,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。

仿真结果提供给维尔京轨道硬件设计工程师以及对制导,导航与控制(GNC)的工程师,谁使用Simulink的开发和模拟控制算法。金宝app

该小组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。该团队还根据飞行硬件的地面测试结果对模型进行了改进,为飞船的首次发射做准备。

结果

  • 模拟速度快了10倍。“通过Sim金宝appulink和Simscape Multibody,我们可以简化假设和并行处理,从而将模拟时间从几天减少到几个小时,”Harvey说。“同样重要的是,我们可以自动化模拟,让它们在后台或夜间运行,让结果在早上等着我们。”
  • 模拟设置时间减少了90%。“每次模拟运行包括从50到100个变量的任何地方设立,”哈维说。“我们使用MATLAB和Simulin金宝appk从电子表格,这使得它容易被5倍准备的模拟和削减设置时间,以10读取这些变量”
  • 硬件设计仿真结果通知。“我们使用Simulink仿真的结果来决定支金宝app架尺寸和几何形状的变化,”Harvey说。“这些结果还帮助我们了解哪些公差可以放宽以简化制造,哪些公差必须收紧以确保足够的分离间隙。”