src/FDM/JSBSim/FGPropeller.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGPropeller.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 08/24/00
   6  Purpose:      Encapsulates the propeller object
   7
   8  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) -------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  12  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  13  version.
  14
  15  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  16  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  17  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  21  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  22  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  23
  24  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  25  the world wide web at http://www.gnu.org.
  26
  27 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 --------------------------------------------------------------------------------
  29
  30 HISTORY
  31 --------------------------------------------------------------------------------
  32 08/24/00  JSB  Created
  33
  34 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  35 INCLUDES
  36 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  37
  38 #include "FGPropeller.h"
  39 #include "FGFCS.h"
  40
  41 static const char *IdSrc = "$Id$";
  42 static const char *IdHdr = ID_PROPELLER;
  43
  44 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  45 CLASS IMPLEMENTATION
  46 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  47
  48 // This class currently makes certain assumptions when calculating torque and
  49 // p-factor. That is, that the axis of rotation is the X axis of the aircraft -
  50 // not just the X-axis of the engine/propeller. This may or may not work for a
  51 // helicopter.
  52
  53 FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, FGConfigFile* Prop_cfg) : FGThruster(exec)
  54 {
  55   string token;
  56   int rows, cols;
  57
  58   MaxPitch = MinPitch = P_Factor = Sense = Pitch = 0.0;
  59
  60   Name = Prop_cfg->GetValue("NAME");
  61   Prop_cfg->GetNextConfigLine();
  62   while (Prop_cfg->GetValue() != string("/FG_PROPELLER")) {
  63     *Prop_cfg >> token;
  64     if (token == "IXX") {
  65       *Prop_cfg >> Ixx;
  66     } else if (token == "DIAMETER") {
  67       *Prop_cfg >> Diameter;
  68       Diameter /= 12.0;
  69     } else if (token == "NUMBLADES") {
  70       *Prop_cfg >> numBlades;
  71     } else if (token == "MINPITCH") {
  72       *Prop_cfg >> MinPitch;
  73     } else if (token == "MAXPITCH") {
  74       *Prop_cfg >> MaxPitch;
  75     } else if (token == "MINRPM") {
  76       *Prop_cfg >> MinRPM;
  77     } else if (token == "MAXRPM") {
  78       *Prop_cfg >> MaxRPM;
  79     } else if (token == "C_THRUST") {
  80       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  81       if (cols == 1) cThrust = new FGTable(rows);
  82       else           cThrust = new FGTable(rows, cols);
  83       *cThrust << *Prop_cfg;
  84     } else if (token == "C_POWER") {
  85       *Prop_cfg >> rows >> cols;
  86       if (cols == 1) cPower = new FGTable(rows);
  87       else           cPower = new FGTable(rows, cols);
  88       *cPower << *Prop_cfg;
  89     } else if (token == "EOF") {
  90       cerr << "      End of file reached" <<  endl;
  91       break;
  92     } else {
  93       cerr << "Unhandled token in Propeller config file: " << token << endl;
  94     }
  95   }
  96
  97   Type = ttPropeller;
  98   RPM = 0;
  99   vTorque.InitMatrix();
 100
 101   Debug(0);
 102 }
 103
 104 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 105
 106 FGPropeller::~FGPropeller()
 107 {
 108   if (cThrust)    delete cThrust;
 109   if (cPower)     delete cPower;
 110   Debug(1);
 111 }
 112
 113 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 114 //
 115 // We must be getting the aerodynamic velocity here, NOT the inertial velocity.
 116 // We need the velocity with respect to the wind.
 117 //
 118 // Note that PowerAvailable is the excess power available after the drag of the
 119 // propeller has been subtracted. At equilibrium, PowerAvailable will be zero -
 120 // indicating that the propeller will not accelerate or decelerate.
 121 // Remembering that Torque * omega = Power, we can derive the torque on the
 122 // propeller and its acceleration to give a new RPM. The current RPM will be
 123 // used to calculate thrust.
 124 //
 125 // Because RPM could be zero, we need to be creative about what RPM is stated as.
 126
 127 double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 128 {
 129   double J, C_Thrust, omega;
 130   double Vel = fdmex->GetTranslation()->GetvAeroUVW(eU);
 131   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 132   double RPS = RPM/60.0;
 133   double alpha, beta;
 134
 135   if (RPM > 0.10) {
 136     J = Vel / (Diameter * RPS);
 137   } else {
 138     J = 0.0;
 139   }
 140
 141   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 142     C_Thrust = cThrust->GetValue(J);
 143   } else {                    // Variable pitch prop
 144     C_Thrust = cThrust->GetValue(J, Pitch);
 145   }
 146
 147   if (P_Factor > 0.0001) {
 148     alpha = fdmex->GetTranslation()->Getalpha();
 149     beta  = fdmex->GetTranslation()->Getbeta();
 150     SetActingLocationY( GetLocationY() + P_Factor*alpha*Sense);
 151     SetActingLocationZ( GetLocationZ() + P_Factor*beta*Sense);
 152   } else if (P_Factor < 0.000) {
 153     cerr << "P-Factor value in config file must be greater than zero" << endl;
 154   }
 155
 156   Thrust = C_Thrust*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter*rho;
 157   omega = RPS*2.0*M_PI;
 158
 159   // Check for windmilling.
 160   double radius = Diameter * 0.375; // 75% of radius
 161   double windmill_cutoff = tan(Pitch * 1.745329E-2) * omega * radius;
 162   if (Vel > windmill_cutoff)
 163     Thrust = -Thrust;
 164
 165   vFn(1) = Thrust;
 166
 167   // The Ixx value and rotation speed given below are for rotation about the
 168   // natural axis of the engine. The transform takes place in the base class
 169   // FGForce::GetBodyForces() function.
 170
 171   vH(eX) = Ixx*omega*Sense;
 172   vH(eY) = 0.0;
 173   vH(eZ) = 0.0;
 174
 175   if (omega <= 5) omega = 1.0;
 176
 177   ExcessTorque = PowerAvailable / omega;
 178   RPM = (RPS + ((ExcessTorque / Ixx) / (2.0 * M_PI)) * deltaT) * 60.0;
 179
 180   vMn = fdmex->GetRotation()->GetPQR()*vH + vTorque*Sense;
 181
 182   return Thrust; // return thrust in pounds
 183 }
 184
 185 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 186
 187 double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 188 {
 189   if (RPM <= 0.10) return 0.0; // If the prop ain't turnin', the fuel ain't burnin'.
 190
 191   double cPReq, RPS = RPM / 60.0;
 192
 193   double J = fdmex->GetTranslation()->GetvAeroUVW(eU) / (Diameter * RPS);
 194   double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
 195
 196   if (MaxPitch == MinPitch) { // Fixed pitch prop
 197     Pitch = MinPitch;
 198     cPReq = cPower->GetValue(J);
 199   } else {                    // Variable pitch prop
 200     double advance = fdmex->GetFCS()->GetPropAdvance(ThrusterNumber);
 201
 202     if (MaxRPM != MinRPM) {   // fixed-speed prop
 203       double rpmReq = MinRPM + (MaxRPM - MinRPM) * advance;
 204       double dRPM = rpmReq - RPM;
 205
 206       Pitch -= dRPM / 10;
 207
 208       if (Pitch < MinPitch)       Pitch = MinPitch;
 209       else if (Pitch > MaxPitch)  Pitch = MaxPitch;
 210
 211     } else {
 212       Pitch = MaxPitch - (MaxPitch - MinPitch) * advance;
 213     }
 214     cPReq = cPower->GetValue(J, Pitch);
 215   }
 216
 217   PowerRequired = cPReq*RPS*RPS*RPS*Diameter*Diameter*Diameter*Diameter
 218                                                        *Diameter*rho;
 219   vTorque(eX) = -Sense*PowerRequired / (RPS*2.0*M_PI);
 220
 221   return PowerRequired;
 222 }
 223
 224 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 225
 226 FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
 227 {
 228   double px=0.0, py, pz;
 229
 230   py = Thrust * Sense * (GetActingLocationY() - GetLocationY()) / 12.0;
 231   pz = Thrust * Sense * (GetActingLocationZ() - GetLocationZ()) / 12.0;
 232
 233   return FGColumnVector3(px, py, pz);
 234 }
 235
 236 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 237 //    The bitmasked value choices are as follows:
 238 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 239 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 240 //       the config files as they are read. If the environment
 241 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 242 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 243 //       whatsoever.
 244 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 245 //       startup messages
 246 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 247 //       a class is instantiated
 248 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 249 //       FGModel object executes its Run() method
 250 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 251 //       are printed out periodically
 252 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 253 //       a message is printed out when they go out of bounds
 254
 255 void FGPropeller::Debug(int from)
 256 {
 257   if (debug_lvl <= 0) return;
 258
 259   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 260     if (from == 0) { // Constructor
 261       cout << "\n    Propeller Name: " << Name << endl;
 262       cout << "      IXX = " << Ixx << endl;
 263       cout << "      Diameter = " << Diameter << " ft." << endl;
 264       cout << "      Number of Blades  = " << numBlades << endl;
 265       cout << "      Minimum Pitch  = " << MinPitch << endl;
 266       cout << "      Maximum Pitch  = " << MaxPitch << endl;
 267       cout << "      Thrust Coefficient: " <<  endl;
 268       cThrust->Print();
 269       cout << "      Power Coefficient: " <<  endl;
 270       cPower->Print();
 271     }
 272   }
 273   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 274     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPropeller" << endl;
 275     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPropeller" << endl;
 276   }
 277   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 278   }
 279   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 280   }
 281   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 282   }
 283   if (debug_lvl & 64) {
 284     if (from == 0) { // Constructor
 285       cout << IdSrc << endl;
 286       cout << IdHdr << endl;
 287     }
 288   }
 289 }
 290