可重復(fù)使用火箭的回收方式有很多除了常見的動(dòng)力反推垂直著陸還有一種比較有意思的思路利用繩網(wǎng)對(duì)下降中的飛行器進(jìn)行捕獲和緩沖。從仿真角度看這個(gè)過程并不只是讓火箭“掉進(jìn)一張網(wǎng)”這么簡單?；鸺枰认陆翟僬{(diào)整橫向位置進(jìn)入捕獲區(qū)域接觸繩網(wǎng)后還要通過緩沖過程逐漸降低速度同時(shí)根據(jù)不同階段切換控制策略。最近在整理航天相關(guān)的 Modelica 案例時(shí)我在 MoHub 上看到一個(gè)RocketRecoveryLib模型于是實(shí)際運(yùn)行了一遍。這個(gè)案例沒有追求復(fù)雜的火箭氣動(dòng)和柔性繩網(wǎng)建模而是采用等效模型把火箭運(yùn)動(dòng)、捕獲緩沖、控制邏輯和三維動(dòng)畫組合在了一起。這篇文章主要記錄一下這個(gè)模型的結(jié)構(gòu)以及實(shí)際運(yùn)行后能看到的回收過程。一、這個(gè)案例模擬了什么這個(gè)模型模擬的是一個(gè)簡化的火箭繩網(wǎng)捕獲過程。整個(gè)過程可以概括為下降 → 橫向?qū)?zhǔn) → 進(jìn)入捕獲區(qū)域 → 接觸繩網(wǎng) → 緩沖減速 → 穩(wěn)定捕獲從模型結(jié)構(gòu)來看主要包含五個(gè)部分火箭動(dòng)力學(xué)計(jì)算火箭的位置、速度和姿態(tài)變化繩網(wǎng)捕獲模型判斷火箭是否進(jìn)入捕獲區(qū)域并模擬網(wǎng)面的緩沖作用回收控制器控制火箭下降速度和橫向位置任務(wù)邏輯根據(jù)高度、速度、位置誤差等條件切換不同任務(wù)階段三維可視化顯示火箭、繩網(wǎng)、地面以及發(fā)動(dòng)機(jī)等場(chǎng)景。這種組織方式比較適合用來理解一個(gè)多學(xué)科系統(tǒng)是如何組合起來的。需要說明的是這個(gè)案例屬于等效仿真模型?；鸺齽?dòng)力學(xué)采用簡化的三維運(yùn)動(dòng)模型繩網(wǎng)也沒有進(jìn)一步建立真實(shí)的柔性繩索和網(wǎng)面結(jié)構(gòu)而是通過捕獲區(qū)域、接觸權(quán)重以及等效彈簧阻尼來模擬緩沖過程。因此它更適合用于建模教學(xué)、仿真演示和系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證而不是直接用于實(shí)際火箭回收系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。二、怎么運(yùn)行這個(gè)模型模型使用 Modelica 編寫頂層依賴 Modelica 4.0.0.TY.1。在 MWORKS.Sysplorer 中打開模型庫后可以直接運(yùn)行默認(rèn)示例RocketRecoveryLib.Examples.SuccessfulCaptureDemo基本流程就是打開模型 → 檢查模型 → 翻譯 → 仿真 → 查看結(jié)果默認(rèn)仿真參數(shù)為參數(shù)設(shè)置StartTime0 sStopTime30 sInterval0.03 s仿真完成后可以重點(diǎn)查看以下變量logic.phase當(dāng)前任務(wù)階段rocket.position火箭位置rocket.speed火箭速度大小net.netDeflection繩網(wǎng)下陷量net.captureMetric捕獲權(quán)重。三、模型內(nèi)部是怎么組織的模型視圖打開頂層模型RocketRecoveryDemo后可以看到整個(gè)系統(tǒng)大致分成五個(gè)子系統(tǒng)。1. 火箭動(dòng)力學(xué)Rocket3DOF是火箭的運(yùn)動(dòng)模型。這里沒有建立完整的六自由度火箭動(dòng)力學(xué)而是采用三維質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加簡化姿態(tài)角的方式描述。模型輸入主要包括控制加速度和繩網(wǎng)產(chǎn)生的等效作用輸出則包括三維位置速度姿態(tài)角速度大小。同時(shí)加入了一個(gè)簡化的二次阻力項(xiàng)用于讓下降過程更加接近實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2. 繩網(wǎng)捕獲CaptureNet是整個(gè)案例比較有特點(diǎn)的一部分。模型沒有直接建立復(fù)雜的柔性網(wǎng)而是把繩網(wǎng)捕獲過程等效成幾個(gè)簡單的物理關(guān)系捕獲區(qū)域判斷平滑接觸權(quán)重垂向彈簧-阻尼橫向居中彈簧-阻尼。最終得到一個(gè)等效的繩網(wǎng)作用力并轉(zhuǎn)換成火箭受到的等效加速度。這樣處理后雖然不能描述真實(shí)繩網(wǎng)每根繩索的變形但可以把“進(jìn)入網(wǎng)面后減速”的主要過程表現(xiàn)出來。3. 回收控制器RecoveryController主要負(fù)責(zé)兩個(gè)方向的控制。一方面控制火箭的下降速度使其按照設(shè)定速度接近捕獲區(qū)域另一方面根據(jù)橫向位置誤差調(diào)整火箭位置使火箭逐漸靠近繩網(wǎng)中心。當(dāng)火箭進(jìn)入捕獲階段后控制策略還會(huì)進(jìn)行相應(yīng)切換讓網(wǎng)面緩沖過程發(fā)揮更明顯的作用?？刂戚敵鼋?jīng)過限幅處理避免出現(xiàn)過大的控制指令。4. 任務(wù)邏輯MissionLogic使用狀態(tài)機(jī)描述整個(gè)回收任務(wù)。模型中設(shè)置了 7 個(gè)階段Init—— 初始化Descent—— 下降A(chǔ)lignToNet—— 對(duì)準(zhǔn)繩網(wǎng)CaptureContact—— 捕獲接觸Buffering—— 緩沖CapturedStable—— 穩(wěn)定捕獲Failure—— 失敗不同階段之間根據(jù)高度、橫向誤差、捕獲權(quán)重、速度和網(wǎng)面下陷量等條件進(jìn)行切換。這樣做的一個(gè)好處是整個(gè)任務(wù)過程不再只是連續(xù)的物理計(jì)算還能夠比較清楚地表達(dá)“當(dāng)前火箭正在執(zhí)行什么任務(wù)”。四、實(shí)際運(yùn)行后的幾個(gè)結(jié)果4.1 任務(wù)階段能夠完整走完首先觀察logic.phase。仿真開始后系統(tǒng)從Init進(jìn)入Descent隨后進(jìn)入AlignToNet、CaptureContact和Buffering最后停留在CapturedStable。整個(gè)過程中沒有進(jìn)入Failure狀態(tài)。這說明在當(dāng)前默認(rèn)參數(shù)下模型能夠完整走完一次成功捕獲過程。任務(wù)階段切換4.2 火箭從高空逐漸下降并向網(wǎng)心靠近火箭初始高度約為82 m。初始狀態(tài)下火箭在水平方向存在一定的位置偏差例如 X 方向約為 12 mY 方向約為 -8 m。隨著仿真進(jìn)行火箭一邊下降一邊通過控制器逐漸調(diào)整橫向位置。最終高度下降到繩網(wǎng)附近橫向位置也逐漸靠近繩網(wǎng)中心?；鸺陆蹈叨惹€這里可以比較直觀地看到兩個(gè)控制目標(biāo)是同時(shí)進(jìn)行的不僅要“降下來”還要“對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)”。4.3 進(jìn)入繩網(wǎng)后出現(xiàn)明顯的緩沖過程進(jìn)入捕獲區(qū)域之后net.netDeflection開始快速變化。當(dāng)前仿真中網(wǎng)面下陷量峰值約為0.99 m之后逐漸回落到約0.47 m的穩(wěn)定狀態(tài)。與此同時(shí)net.captureMetric也從較低水平逐漸上升峰值約為0.59最終穩(wěn)定在約0.37。從曲線關(guān)系來看這一階段基本對(duì)應(yīng)進(jìn)入捕獲區(qū)域 → 網(wǎng)面發(fā)生下陷 → 火箭受到緩沖作用 → 速度逐漸降低 → 最終保持穩(wěn)定。4.4 火箭速度逐漸降低到接近零再看rocket.speed?；鸺跏妓俣燃s為11.9 m/s隨著下降和捕獲過程不斷進(jìn)行速度逐漸降低。進(jìn)入繩網(wǎng)后網(wǎng)面的等效彈簧-阻尼作用進(jìn)一步消耗火箭的運(yùn)動(dòng)能量配合控制器的卸載策略最終速度衰減到接近零。速度變化曲線這也是整個(gè)案例最直觀的一個(gè)結(jié)果火箭并不是直接停止而是經(jīng)歷了一個(gè)明顯的緩沖減速過程。五、這個(gè)案例值得關(guān)注的地方5.1 狀態(tài)機(jī)讓整個(gè)回收過程更清楚如果只建立火箭運(yùn)動(dòng)模型可能只能看到位置和速度的變化。加入任務(wù)狀態(tài)機(jī)之后可以進(jìn)一步回答當(dāng)前火箭到底處于下降、對(duì)準(zhǔn)、捕獲還是緩沖階段對(duì)于這種包含多個(gè)任務(wù)階段的系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)能夠把連續(xù)的物理過程轉(zhuǎn)換成更加清晰的任務(wù)邏輯。5.2 繩網(wǎng)采用等效模型降低了復(fù)雜度真實(shí)繩網(wǎng)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)涉及大量繩索之間的連接、接觸和變形。如果完全按照真實(shí)結(jié)構(gòu)建立模型計(jì)算量和建模復(fù)雜度都會(huì)明顯增加。這個(gè)案例采用捕獲區(qū)域 彈簧阻尼的方式進(jìn)行等效在保留主要緩沖特征的同時(shí)把模型規(guī)?？刂圃诒容^容易運(yùn)行的范圍內(nèi)。對(duì)于教學(xué)和概念驗(yàn)證來說這種取舍比較實(shí)用。5.3 多個(gè)子系統(tǒng)可以放在同一個(gè)模型里觀察這個(gè)案例涉及的內(nèi)容其實(shí)比較多火箭運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)繩網(wǎng)接觸任務(wù)狀態(tài)機(jī)三維可視化。但最終都可以在同一個(gè)頂層模型中連接起來。這也是 Modelica 這類多領(lǐng)域建模工具比較適合展示的場(chǎng)景不同類型的模型可以按照系統(tǒng)關(guān)系組合而不需要分別運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立程序再手動(dòng)拼接結(jié)果。六、總結(jié)這次運(yùn)行RocketRecoveryLib后比較直觀地看到了一次完整的火箭繩網(wǎng)捕獲過程火箭從高空下降 → 橫向位置逐漸對(duì)準(zhǔn) → 進(jìn)入捕獲區(qū)域 → 繩網(wǎng)發(fā)生下陷 → 速度逐漸降低 → 最終進(jìn)入穩(wěn)定捕獲狀態(tài)。模型本身并沒有試圖把真實(shí)火箭和繩網(wǎng)的所有物理細(xì)節(jié)都建立出來而是用相對(duì)簡化的動(dòng)力學(xué)、接觸和控制模型把整個(gè)任務(wù)流程串聯(lián)起來。因此如果關(guān)注的是多學(xué)科系統(tǒng)如何建模、控制邏輯如何與物理模型連接以及如何通過三維動(dòng)畫觀察整個(gè)任務(wù)過程這個(gè)案例還是比較容易上手的。如果后續(xù)需要進(jìn)一步研究則可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上逐步替換火箭動(dòng)力學(xué)、繩網(wǎng)模型或者控制器而不需要從零開始搭建整個(gè)系統(tǒng)。案例地址https://mohub.net/model/26101/summary本文中的參數(shù)和結(jié)果來自該案例當(dāng)前的模型配置實(shí)際仿真結(jié)果可能會(huì)受到模型版本、參數(shù)及運(yùn)行環(huán)境影響。