NASA的“獵戶座”飛船將能夠搭載人類到包括火星在內的深空目的地。“獵戶座”計劃已經成功完成了在地球軌道上的探索飛行測試1（EFT-1）任務，洛克希德馬丁公司的工程師們正在為探索任務1（EM1）的機組成員工作，這是一架繞月飛行的無人駕駛飛機。

四個太陽能電池組和四個鋰離子電池組件將為“獵戶座”飛船的生命支持、推進、導航和其他系統提供動力。為了確保這些系統能夠在長時間的深空任務中獲得足夠的能量，洛克希德馬丁公司的工程師們使用Simulink和Simscape Power Systems開發的“獵戶座”動力系統模型進行仿真。

“我們在Simulink中創建的多節點電力模型使我們比以前使用的單節點模型能更精確地進行仿真” ，洛克希德馬丁公司的獵戶座項目電力系統主管分析師Hector Hernandez如是說。“Simscape Power Systems使得仿真整個電網并仿真更真實的行為變得更加容易。我們現在有能力測量不同組件之間的電壓下降，這讓我們更深入地了解整個系統的電力質量。”

挑戰

幾年前，洛克希德馬丁公司的工程師們為NASA的星座計劃開發了一種電力系統模型，使用的是微軟Excel和Visual Basic(VBA)。然而，當工程師們試圖檢查越來越多的測試用例時，模型卻變慢了，偶爾也會崩潰。由于這是一個單節點電源模型，所以該團隊不能用它來評估整個系統中的電壓下降，或者評估電能質量要求。

洛馬公司需要建立一個“獵戶座”電力系統的多節點模型，包括它的發電、儲能和配電組件，然后運行仿真來驗證設計、測試故障條件、驗證系統性能和執行任務分析。他們想要的是一種視覺模型，讓NASA的同事們能夠立即理解，而不用去檢查低層次的代碼。

獵戶座電力系統模型。該模型使工程師能夠模擬大量的任務概要，以驗證系統的性能和能力。

解決方案

洛克希德馬丁公司的工程師使用Simulink和Simscape Power Systems來對獵戶座飛船的電力系統進行建模和仿真。

為了對太陽能電池陣列建模，該團隊創建了一個用Simscape語言編寫的定制太陽能電池模型。為了計算陣列的精確電流電壓(IV)曲線，該模型考慮了每塊翼板上的電池單元數量，太陽能電池陣列的指向角、陰影以及太陽、行星紅外和阿爾貝多等引起的熱效應。此外，還考慮了輻射、污染、與微隕星和軌道碎片的碰撞等造成性能下降的因素。

接下來，該團隊使用了SimscapePower Systems組件庫的標準塊和使用Simscape語言開發的定制塊，創建了一個鋰離子電池模型。該模型描述了電池的滯后效應、溫度和電池的充電狀態。

繼續使用Simscape語言，團隊創建了一個自定義的電源負載塊，以仿真飛船的推進、引導和其他系統在執行任務時開啟和關閉狀態下所產生的不同負載。使用集成的電力系統模型，該團隊對各種任務工況進行了模擬。他們監測任務和負載變化，仿真故障場景，包括電池故障、開關卡死和在上升和在軌階段的太陽能陣列故障，以便在開發過程中評估對電力的影響。這些結果被用來指導開發針對失敗情況的可能性與協議。

使用Simscape Power Systems，我們創建了一個連接電力和熱域的集成電力系統模型，由此我們在任務級仿真中掌握了整體藍圖。如果我們需要對太陽能電池板的發動機進行建模，我們也有能力將這些機械部件整合起來。

—— Lockheed Martin

Hector Hernandez

他們還仿真了大量的任務工況，以確保太陽能電池陣列和電池的大小正確，并在長達數小時的日食場景中考察電力系統的性能。這些仿真的輸入是受控系統狀態和用MATLAB生成的負載工況的時間軸。

利用MATLAB，該團隊對仿真結果進行了后處理與可視化，并利用美國宇航局的國際空間站內部電力系統模擬器產生的結果進行了驗證。

結果

開發時間減少了三分之二。“用Simscape Power Systems和Simscape語言，與使用VBA相比，我們開發獵戶座電力系統模型少用了大約三分之二的時間”，Hernandez說，“Simscape很直接;它使我們能夠比VBA更快更高效地創建自定義組件。”

建立了可重用組件庫。“我們已經用Simscape建立了一個定制的組件庫，包括電力配電組件，以及電氣、熱和軌道力學塊”，Hernandez說，“從EFT-1中重用幾個組件使我們能夠對EM-1程序進行快速的轉回評估。”

低層次編碼最小化。“有了Simulink和Simscape Power Systems，我不需要自己寫代碼求解系統方程。我構建了自定義的塊，以圖形方式連接它們，并讓求解器自己完成工作”，Hernandez說，“和我一起工作的NASA工程師們都喜歡Simscape模型，因為模型比低級代碼更直觀。”