NASA HL-20升力体

介绍

这个学习案例模拟了NASA HL-20升力体的机体，HL-20是航天轨道飞行器的一种低成本补充。HL-20没有动力，但包含有机身和控制器。
对于大多数的飞机控制系统设计，机体或者飞机模型都需要经过建模、仿真和分析的过程。理想情况下，机体应该快速建模、重复使用模块结构用来减少模型验证时间，进而给控制系统的设计留下更多时间。在这个例子中Aerospace Blockset有效模拟了HL-20机体的一部分组件，剩余的部分包括气动系数的计算都有Simulink进行仿真。这个例子验证了HL-20机体模型，其中还涉及如何在模型中使用气动数据。

NASA HL-20升力体

HL-20作为一种载人发射系统，是对航天轨道飞行器的一种补充。它最初作为一种往返于低地球轨道的低成本结局方案来进行设计，可以搭乘10人并携带一定货物[1]。
HL-20可以通过火箭垂直发射或放置在航天飞机的有效载荷仓中送入轨道。其通过小型机载推进装置脱离轨道，返回时nose first，水平且无动力。
下图即为HL-20升力体的正面照
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HL-20的设计有如下优点：

  • 发射和着陆间的快速部署周期用以将此操作成本
  • HL-20有着优异的飞行安全性
  • 可以方便的在普通飞行跑道上着陆

HL-20的潜力包括：

  • 在轨道上营救搁浅的宇航员
  • 国际空间站上机组人员的更换
  • 执行观测任务
  • 执行卫星维修任务

虽然HL-20项目现在已经终止，但HL-20试验的气动数据被用在了NASA的当前其他项目上[2]。

HL-20机体和控制器模型

可以在Matlab命令行窗口输入aeroblk_HL20打开HL-20机体和控制器模型。
HL-20机体和控制

建模假设和限制

HL-20的初步气动数据来自NASA的TM4302文档[1]。
机体模型包括几个关键假设和限制：

  • 机体假设为刚体，并且具有固定的质量、重心和惯性，因为模型只描述了任务的无动力再入阶段。
  • HL-20假设是横向对称的。
  • 假设压缩性(马赫)效应可忽略不计。
  • 控制的有效性假设与迎角呈非线性变化，与偏转角度呈线性变化，并不依赖于侧滑角。(该句不理解)
  • 由于非线性六自由度气动模型是对HL-20早期版本的仿真，所以该模型会和后期版本的真实性能并不完全相同。

典型的机身模型包括几个基本组件，包括：

  • 运动学方程
  • 环境模块
  • 气动系数、力和力矩的计算

HL-20模型的机身子系统包括五个子系统，用来对典型机身组件进行仿真：

HL-20机身子系统

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学方程。在6DOF子系统中机身姿态通过随时间变化的欧拉角表示。这个子系统是Aerospace Blockset库中的一个运动学方程模块。四元数的描述方法也是可行的。查看6DOF (欧拉角) 和 6DOF (四元数)参考页面获取更多关于该模块的信息。

大气模型子系统

大气模型子系统包含以下几个子系统和模块：

  • WGS84重力模型模块实现了世界大地测量系统（WGS84）地心中心等位椭圆体的数学表示(好拗口，google直接翻译的)。
    查看WGS84 Gravity Model模块获取更多关于该模块的信息。
  • 根据输入的海拔高度，COESA大气模型模块实现了会基于1976年标准大气推广委员会（COESA）制订的关于绝对温度，压力，密度和声速的较低大气标准进行数学上的描述。
    查看COESA Atmosphere Model模块获取更多关于该模块的信息。
  • 风模拟子系统包含以下几个模块：
    • 风切变模型为模型添加风切变效果。
      查看Wind Shear模块获取更多关于该模块的信息。
    • 离散阵风模型实现标准“1-余弦”阵风效果。
      查看Discrete Wind Gust模块获取更多关于该模块的信息。
    • Dryden风湍流模型(连续)模块使用Dryden光谱表示，通过适当的成形滤波器通过带限白噪声为航空航天模型添加湍流。
      查看Dryden Wind Turbulence模块获取更多关于该模块的信息。 大气模块根据标准参考文献实现数学描述，例如1976年的美国大气标准。

HL-20机体大气模型

HL-20机体风干扰模型

迎角、侧偏角、马赫数子系统

该系统计算气动系数计算和查找的附加参数，这些参数包括：

  • 马赫数
  • 机体角($$\alpha,\beta$$)
  • 空速
  • 动压

该系统根据风速校正机体速度，根据风角加速度计算机体速率。
HL-20附加参数计算

气动系数子系统

该系统包含气动数据和六个气动数据的计算，这些是根据文献[1]进行的实现，这六个气动数据如下：

$$C_x$$ 轴向力系数
$$C_y$$ 侧向力系数
$$C_z$$ 法向力系数
$$C_l$$ 滚转力矩系数
$$C_m$$ 俯仰力矩系数
$$C_n$$ 偏航力矩系数

地面效应和起落架效应在该模型中没有计算。
HL-20气动系数模块
气动数据主要来自对HL-20的初步亚音速气动模型进行的风洞试验。这些数据是经过拟合的并且大部分气动数据都是关于迎角和侧滑角的多项式表达。了解更详细的气动数据和数据简化信息请参考文章结尾的文献[1]。
包含在中aeroblk_init_hl20.m中的多项式函数被用计算模型预加载函数中用到的查找表。查找表可以替代多项式函数，使用查找表相较于在每个时间步长内重新计算效率更高。为了进一步提高效率，大部分的表可以使用Prelook-up模块来进行索引和插值。当模型中含有许多相同的断点时，这个模块可以有效提高性能。这个模块可以减少模型在一个给定的时间步长内查找断点的时间。这些表在预加载函数中被定义之后，就可以得到气动系数了。
计算六个气动系数时分为三个子系统：

将三个子系统得到的系数合并就可以用来计算机身所受的力和力矩了[1]。

基准系数子系统

基准系数子系统只是在不含任何舵面偏转的情况下计算系数。基准系数只和机体自身的姿态角有关。
基准系数子系统

机身阻尼率子系统

机身阻尼率子系统计算动态运动导数。
机身阻尼率子系统

舵面增量子系统

查表得到由于舵面偏转引起的系数增量，可用舵面包括对称襟翼(升降舵)，差速襟翼(副翼)，正机身襟翼，负机身襟翼，差速机身襟翼和一个全动舵面。
舵面增量子系统

力和力矩子系统

该子系统计算作用在机身重心上的力和力矩，其由气动系数、推力、动压和参考机身参数得到。
力和力矩子系统

完成模型

这个子系统对HL-20的机体进行了验证，下一步就可以对HL-20机身进行分析、配平、线性化，进而设计控制系统，用户可以在aeroblk_HL20例程中查看HL-20自动着陆控制的例子。

参考文献

  1. Jackson, E. B., and C. L. Cruz, "Preliminary Subsonic Aerodynamic Model for Simulation Studies of the HL-20 Lifting Body," NASA TM4302 (August 1992).
  2. Morring, F., Jr., "ISS 'Lifeboat' Study Includes ELVs," Aviation Week & Space Technology (May 20, 2002).

更多关于HL-20升力体的信息请查看:

http://www.astronautix.com/craft/hl20.htm

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