洛克希德马丁公司使用多域电力系统模型仿真猎户座飞船任务

挑战

仿真“猎户座”飞船的电力系统,以验证设计、测试各种故障状态并验证系统性能。

解决方案

使用Simulink和Simscape Electrical对太阳能帆板、电池和整个系统进行建模,从而对各种任务工况进行仿真。

结果

  • 开发时间减少三分之二
  • 可重用的元件库
  • 最小化底层编码

“使用Simscape Electrical,我们创建了一个将电气和热域联系在一起的综合电力系统模型,由此我们在任务级仿真中掌握了整体蓝图。如果我们需要对转动太阳能帆板的电机进行建模,我们也有能力将这些机械部件整合进来。”

Hector Hernandez, Lockheed Martin

NASA的猎户座飞船.


NASA的“猎户座”飞船将能够搭载人类到包括火星在内的深空目的地。“猎户座”计划已经成功完成了在地球轨道上的探索飞行测试1(EFT-1)任务,洛克希德马丁公司的工程师们正专注于探索任务1(EM1)的乘员舱,该任务是一次绕月无人飞行。

四块太阳能帆板和四个锂离子电池包将为“猎户座”飞船的生命支持、推进、导航和其他系统提供电源。为了确保这些系统能够在长时间的深空任务中获得足够的电源,洛克希德马丁公司的工程师们使用Simulink和Simscape Electrical开发的“猎户座”电力系统模型进行仿真。

“对比我们以前用的单节点模型,在Simulink中创建的多节点电力模型使我们的仿真精确大大提高”,洛克希德马丁公司的猎户座项目电力系统主管分析师Hector Hernandez说到。“Simscape Electrical使得对整个电力网络进行建模并仿真更真实的行为变得更加容易。我们现在有能力测量不同元件之间的电压下降,这让我们更深入地了解整个系统的电源质量。”

挑战

几年前,洛克希德马丁公司的工程师们为NASA的星座计划开发了一种电力系统模型,使用的是微软Excel和Visual Basic(VBA)。然而,当工程师们试图运行更多的测试用例时,模型变慢了,偶尔还会崩溃。由于这是一个单节点电源模型,所以该团队不能用它来估计整个系统中的电压下降,或者评价电能质量需求。

洛克希德马丁公司需要建立一个“猎户座”电力系统的多节点模型,包括它的发电、储能和配电元件,然后运行仿真来验证设计、测试故障状态、验证系统性能和进行任务分析。他们想要的是一种看得见的模型,让NASA的同事们能够立即理解,而不用去检查底层的代码。

猎户座电力系统模型。该模型使工程师能够模拟大量的任务工况,以验证系统的性能和能力

解决方案

洛克希德马丁公司的工程师使用Simulink和Simscape Electrical来对猎户座飞船的电力系统进行建模和仿真。

为了对太阳能帆板进行建模,该团队创建了一个用Simscape语言编写的定制太阳能电池模型。为了计算太阳能电池阵列的精确电流电压(IV)曲线,该模型考虑了每块帆板上的电池单元数量,太阳能帆板的指向角、阴影以及太阳、行星红外和反射系数等引起的热效应。此外,还考虑了辐射、污染、与微陨星和轨道碎片的碰撞等造成性能下降的因素。

接下来,该团队使用了Simscape Electrical元件库的标准块和使用Simscape语言开发的定制块,创建了一个锂离子电池模型。该模型描述了电池的滞后效应、温度和电池的充电状态。

继续使用Simscape语言,团队创建了一个自定义的电源负载块,以仿真飞船的推进、引导和其他系统在执行任务时开启和关闭状态下所产生的不同负载。使用集成的电力系统模型,该团队对各种任务工况进行了模拟。他们监测任务和负载变化,仿真故障场景,包括电池故障、开关卡死和在上升和在轨阶段的太阳能帆板故障,以便在开发过程中评估对电力的影响。这些结果被用来指导开发针对失效情况的任务可能性与应对措施。

他们还仿真了大量的任务工况,以确保太阳能帆板和电池的配置正确,并在长达数小时的日食场景中考察电力系统的性能。这些仿真的输入是用MATLAB生成的按时间先后给出的受控系统状态和负载工况。

利用MATLAB,该团队对仿真结果进行了后处理与可视化,并利用NASA的国际空间站内部电力系统模拟器产生的结果进行了验证。

结果

  • 开发时间减少了三分之二。“用Simscape Electrical和Simscape语言,与使用VBA相比,我们开发猎户座电力系统模型少用了大约三分之二的时间”,Hernandez说,“Simscape很直接;它使我们能够比VBA更快更高效地创建自定义组件。”
  • 建立了可重用元件库。“我们已经用Simscape建立了一个定制的元件库,包括电力配电元件,以及电气、热和轨道力学块”,Hernandez说,“从EFT-1中重用几个元件使我们能够对EM-1程序进行快速的转变评估。”
  • 最小化底层编码。“有了Simulink和Simscape Electrical,我不需要自己写代码求解系统方程。我构建了自定义的块,以图形方式连接它们,并让求解器自己完成工作”,Hernandez说,“和我一起工作的NASA工程师们都喜欢Simscape模型,因为模型比底层代码更直观。”