利用LauncherOne火箭级间分离事件的分析和介绍

LauncherOne（运载一号） 是维珍轨道公司的两级运载火箭，用于向低地球轨道发射小卫星。为减少费用，并提高发射位置的灵活性，运载一号设计为从波音 747-400 运输飞机上空投发射。每次任务都将经历几次重要的分离时间，包括运载一号与飞机分离、一级火箭与二级火箭分离、整流罩与二级火箭分离、卫星子载荷与二级火箭分离。

为了确保分离结构之间有足够的间隙，维珍轨道公司的工程师使用 Simulink 和 Simscape Multibody 来建模和仿真运载一号的分离事件。除了减少碰撞风险外，仿真结果还用于航天器结构部件和分离机构设计决策。

“我们考虑了几个建模和仿真选项，包括开源库和昂贵的商业软件包”，维珍轨道公司的助理工程师 Patrick Harvey 说。“Simulink 和 Simscape Multibody 提供了最佳的两种选择：开源的灵活性——没有陡峭的学习曲线，商业解决方案的可信和时间节省优势——无需高成本。

维珍轨道公司的组装完整的运载一号火箭（上），以及爆炸图展示了整流罩、载荷、一级及二级火箭（下图）。

挑战

当运载一号的结构设计仍在开发中时，Harvey 和他的团队在分析分离事件时不得不考虑一些未知因素，包括每个组件的质量特性，以及用于启动分离的气动、弹簧推杆的力量和时间特征。该团队需要运行数千个 Monte Carlo 仿真，同时改变这些不确定参数的值，以确定一个特定的参数组合是否会引起碰撞。

由于需要做很多仿真，团队希望自动化仿真过程，并在多个计算核心上同时运行仿真。由于现有的仿真系统无法自动化或并行处理，团队开始寻找替代方案。开源解决方案需要很长时间来验证和定制，而订做多体动力学仿真软件包成本太高，很难定制。

解决方案

维珍轨道公司的工程师使用Simulink和Simscape Multibody建模并仿真运载一号的级间及载荷分离事件，使用Parallel Computing Toolbox在多核处理器上并行运行仿真。

团队在Simulink中使用 Simscape Multibody 构建了由基本的 3D 外形组成的原始模型，包括球体、圆锥体、圆柱体。

在这些早期仿真中，他们使用 2D 横截面及 2D 距离方程来测量间隙。后来他们在MATLAB 中实现了 Gilbert Johnson Keerthi（GJK）碰撞检测算法，用于计算 3D 物体间的距离。团队是基于一个从MathWorks File Exchange下载的算法进行实现的。

接着，团队从 CAD 软件中导出结构组件的点云。他们创建了一个MATLAB应用程序，用于从导出的点云数据为每个组件在Simscape Multibody中建立一个 3D 凸包。

在通过人工启动仿真验证该模型后，团队建立了第二个MATLAB应用程序，用于在多处理核上使用Parallel Computing Toolbox自动执行 Monte Carlo 仿真。

这个应用程序从 Microsoft Exce 电子表格中读取500到1000个仿真参数，然后使用不同的参数值运行多达 1000 个仿真，并将结果保存下来——通常有几千兆字节——用于在MATLAB中进行后处理。

“MATLAB 和 Simulink 比我们考虑的替代方案节省了我们大约 90% 的成本，同时为我们开发自己的模块提供了编码的灵活性，并且完全理解所做的假设，这在向其他团队报告结果时非常重要。” 

——Virgin Orbit, Patrick Harvey

在后期处理过程中，团队研究了组件间距离在一个阈值内发生碰撞或无碰撞分离的所有仿真场景，使用了 Simscape Multibody 中的 Mechanics Explorer 工具来可视化组件的物理运动。

仿真结果提供给了维珍轨道公司硬件设计工程师以及制导、导航和控制（GNC）的工程师，他们使用 Simulink 开发和仿真控制算法。

该团队目前正致力于仿真空投的分离事件，它将包含一个空气动力和效应模型。该团队还根据飞行器硬件的地面测试结果，对该模型进行了改进，为该航天器的首次发射做准备。

结果

仿真完成速度快10倍。“使用 Simulink 和 Simscape Multibody，我们可以采用简化的假设和并行处理技术来将仿真时间从几天减少到几个小时，”Harvey 说。“同样重要的是，我们可以使仿真自动化，所以它们可以在后台运行，也可以在夜间运行，我们可以在第二天上午得到结果。”

仿真设置时间减少高达90%。“每次仿真运行总需要设置 50 到 100 个变量，”Harvey说。“我们使用 MATLAB 和 Simulink 从电子表格中读取这些变量，这样可以很容易地编制仿真程序，并将设置时间减少 5 到 10 倍。”

仿真结果指导硬件设计。“我们使用 Simulink 仿真结果来指导支架尺寸和几何变化的决定”, Harvey 说。“结果还可以帮助我们理解哪些公差可以放宽，以简化制造；那些公差必须加严，以确保有足够的分离间隙。”