维珍轨道模拟发射一级分离事件

当“发射一号”的结构设计仍在开发阶段时，哈维和他的团队在分析分离事件时必须考虑到许多未知因素，包括每个组件的质量特性，以及用于启动分离的气动和弹簧推子的力和时间特性。该团队需要运行数千个蒙特卡洛模拟，同时改变这些不确定参数的值，以确定特定的参数组合是否会导致碰撞。

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并发地运行模拟。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。开源解决方案的验证和定制时间太长，而定制的多体动力学模拟软件包成本太高，定制难度大。

维珍轨道公司的工程师使用Simulink和Simscape多体软件对LauncherOne级和有效载荷分离事件进行建模和模拟，并使用并行计算工具箱™在多核处理器上并行运行模拟。

在Simscape Multibody的Simulink中，团队构建了一个由基本3D形状组成的初步模型，包括球体、锥体和圆柱体。

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。然后在MATLAB中实现了Gilbert-Johnson-Keerthi (GJK)碰撞检测算法^®计算3D物体之间的距离。该团队的实现基于从MathWorks File Exchange下载的算法。

接下来，该团队从他们的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，使用每个组件的导出数据在Simscape Multibody中创建一个等效的3D凸包。

在通过手动启动的模拟验证了模型之后，该团队创建了第二个MATLAB应用程序，该应用程序使用并行计算工具箱在多个处理核上自动进行蒙特卡罗模拟。

这个应用程序读取50到100个模拟参数，以及它们的值分布和限制，从微软^®Excel^®电子表格。然后，它在改变参数值的同时运行多达1000个模拟，并将结果(通常是几gb的数据)保存在MATLAB中进行后处理。

在后处理过程中，团队检查了任何模拟场景，其中组件碰撞或通过彼此的阈值距离，使用Simscape Multibody中的Mechanics Explorer工具可视化组件的物理运动。

仿真结果将提供给维珍轨道公司的硬件设计工程师以及制导、导航和控制(GNC)工程师，他们使用Simulink开发和模拟控制算法。

该团队目前正致力于模拟空投分离事件，这将包括一个空气动力和影响的模型。该团队还在为飞船的首次发射做准备，根据飞行硬件的地面测试结果来改进模型。

• 模拟以10倍的速度完成．“通过Simulink和Simscape Multibody，我们可以简化假设和并行处理，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，并在早上等待我们的结果。”
• 模拟设置时间减少高达90%。“每次模拟运行都需要设置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，这使得准备模拟变得容易，并将设置时间减少了5到10倍。”
• 根据仿真结果进行硬件设计。“我们使用Simulink模拟的结果来决定支架的尺寸和几何形状的变化，”Harvey说。“结果还帮助我们了解哪些公差可以放松以简化制造，哪些公差必须收紧以确保足够的分离间隙。”