src/FDM/JSBSim/models/propulsion/FGRocket.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGRocket.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 09/12/2000
   6  Purpose:      This module models a rocket engine
   7
   8  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jon@jsbsim.org) --------------
   9
  10  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  11  the terms of the GNU Lesser 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 Lesser General Public License for more
  18  details.
  19
  20  You should have received a copy of the GNU Lesser 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 Lesser 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 This class descends from the FGEngine class and models a rocket engine based on
  31 parameters given in the engine config file for this class
  32
  33 HISTORY
  34 --------------------------------------------------------------------------------
  35 09/12/2000  JSB  Created
  36
  37 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  38 INCLUDES
  39 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  40
  41 #include <sstream>
  42
  43 #include "FGRocket.h"
  44
  45 namespace JSBSim {
  46
  47 static const char *IdSrc = "$Id$";
  48 static const char *IdHdr = ID_ROCKET;
  49
  50 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  51 CLASS IMPLEMENTATION
  52 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  53
  54 FGRocket::FGRocket(FGFDMExec* exec, Element *el, int engine_number)
  55   : FGEngine(exec, el, engine_number)
  56 {
  57   Element* thrust_table_element = 0;
  58   ThrustTable = 0L;
  59   BurnTime = 0.0;
  60   previousFuelNeedPerTank = 0.0;
  61   previousOxiNeedPerTank = 0.0;
  62   PropellantFlowRate = 0.0;
  63   FuelFlowRate = 0.0;
  64   OxidizerFlowRate = 0.0;
  65   SLOxiFlowMax = 0.0;
  66   It = 0.0;
  67
  68   // Defaults
  69    MinThrottle = 0.0;
  70    MaxThrottle = 1.0;
  71
  72   if (el->FindElement("isp"))
  73     Isp = el->FindElementValueAsNumber("isp");
  74   if (el->FindElement("maxthrottle"))
  75     MaxThrottle = el->FindElementValueAsNumber("maxthrottle");
  76   if (el->FindElement("minthrottle"))
  77     MinThrottle = el->FindElementValueAsNumber("minthrottle");
  78   if (el->FindElement("slfuelflowmax"))
  79     SLFuelFlowMax = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("slfuelflowmax", "LBS/SEC");
  80   if (el->FindElement("sloxiflowmax"))
  81     SLOxiFlowMax = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("sloxiflowmax", "LBS/SEC");
  82
  83   thrust_table_element = el->FindElement("thrust_table");
  84   if (thrust_table_element) {
  85     ThrustTable = new FGTable(PropertyManager, thrust_table_element);
  86   }
  87
  88   bindmodel();
  89
  90   Debug(0);
  91
  92   Type = etRocket;
  93   Flameout = false;
  94
  95 }
  96
  97 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  98
  99 FGRocket::~FGRocket(void)
 100 {
 101   delete ThrustTable;
 102   Debug(1);
 103 }
 104
 105 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 106
 107 double FGRocket::Calculate(void)
 108 {
 109   double dT = State->Getdt()*Propulsion->GetRate();
 110   double thrust;
 111
 112   if (!Flameout && !Starved) ConsumeFuel();
 113
 114   PropellantFlowRate = (FuelExpended + OxidizerExpended)/dT;
 115   Throttle = FCS->GetThrottlePos(EngineNumber);
 116
 117   // If there is a thrust table, it is a function of propellant remaining. The
 118   // engine is started when the throttle is advanced to 1.0. After that, it
 119   // burns without regard to throttle setting. The table returns a value between
 120   // zero and one, representing the percentage of maximum vacuum thrust being
 121   // applied.
 122
 123   if (ThrustTable != 0L) { // Thrust table given -> Solid fuel used
 124
 125     if ((Throttle == 1 || BurnTime > 0.0 ) && !Starved) {
 126       BurnTime += State->Getdt();
 127       double TotalEngineFuelAvailable=0.0;
 128       for (int i=0; i<(int)SourceTanks.size(); i++) {
 129         FGTank* tank = Propulsion->GetTank(i);
 130         if (SourceTanks[i] == 1) {
 131           TotalEngineFuelAvailable += tank->GetContents();
 132         }
 133       }
 134
 135       VacThrust = ThrustTable->GetValue(TotalEngineFuelAvailable);
 136     } else {
 137       VacThrust = 0.0;
 138     }
 139
 140   } else { // liquid fueled rocket assumed
 141
 142     if (Throttle < MinThrottle || Starved) { // Combustion not supported
 143
 144       PctPower = 0.0; // desired thrust
 145       Flameout = true;
 146       VacThrust = 0.0;
 147
 148     } else { // Calculate thrust
 149
 150       PctPower = Throttle / MaxThrottle; // Min and MaxThrottle range from 0.0 to 1.0, normally.
 151       Flameout = false;
 152       VacThrust = Isp * PropellantFlowRate;
 153
 154     }
 155
 156   } // End thrust calculations
 157
 158   thrust = Thruster->Calculate(VacThrust);
 159   It += thrust * dT;
 160
 161   return thrust;
 162 }
 163
 164 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 165 // This overrides the base class ConsumeFuel() function, for special rocket
 166 // engine processing.
 167
 168 void FGRocket::ConsumeFuel(void)
 169 {
 170   unsigned int i;
 171   FGTank* Tank;
 172   bool haveOxTanks = false;
 173   double Fshortage=0, Oshortage=0, TanksWithFuel=0, TanksWithOxidizer=0;
 174
 175   if (FuelFreeze) return;
 176   if (TrimMode) return;
 177
 178   // Count how many assigned tanks have fuel for this engine at this time.
 179   // If there is/are fuel tanks but no oxidizer tanks, this indicates
 180   // a solid rocket is being modeled.
 181
 182   for (i=0; i<SourceTanks.size(); i++) {
 183     Tank = Propulsion->GetTank(SourceTanks[i]);
 184     switch(Tank->GetType()) {
 185       case FGTank::ttFUEL:
 186         if (Tank->GetContents() > 0.0 && Tank->GetSelected()) ++TanksWithFuel;
 187         break;
 188       case FGTank::ttOXIDIZER:
 189         haveOxTanks = true;
 190         if (Tank->GetContents() > 0.0 && Tank->GetSelected()) ++TanksWithOxidizer;
 191         break;
 192     }
 193   }
 194
 195   // If this engine has burned out, it is starved.
 196
 197   if (TanksWithFuel==0 || (haveOxTanks && TanksWithOxidizer==0)) {
 198     Starved = true;
 199     return;
 200   }
 201
 202   // Expend fuel from the engine's tanks if the tank is selected as a source
 203   // for this engine.
 204
 205   double fuelNeedPerTank = CalcFuelNeed()/TanksWithFuel;
 206   double oxiNeedPerTank = CalcOxidizerNeed()/TanksWithOxidizer;
 207
 208   for (i=0; i<SourceTanks.size(); i++) {
 209     Tank = Propulsion->GetTank(SourceTanks[i]);
 210     if ( ! Tank->GetSelected()) continue; // If this tank is not selected as a source, skip it.
 211     switch(Tank->GetType()) {
 212       case FGTank::ttFUEL:
 213         Fshortage += Tank->Drain(2.0*fuelNeedPerTank - previousFuelNeedPerTank);
 214         previousFuelNeedPerTank = fuelNeedPerTank;
 215         break;
 216       case FGTank::ttOXIDIZER:
 217         Oshortage += Tank->Drain(2.0*oxiNeedPerTank - previousOxiNeedPerTank);
 218         previousOxiNeedPerTank = oxiNeedPerTank;
 219         break;
 220     }
 221   }
 222
 223   if (Fshortage < 0.00 || (haveOxTanks && Oshortage < 0.00)) Starved = true;
 224   else Starved = false;
 225 }
 226
 227 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 228
 229 double FGRocket::CalcFuelNeed(void)
 230 {
 231   double dT = State->Getdt()*Propulsion->GetRate();
 232
 233   if (ThrustTable != 0L) {          // Thrust table given - infers solid fuel
 234     FuelFlowRate = VacThrust/Isp;   // This calculates wdot (weight flow rate in lbs/sec)
 235   } else {
 236     FuelFlowRate = SLFuelFlowMax*PctPower;
 237   }
 238
 239   FuelExpended = FuelFlowRate*dT; // For this time step ...
 240   return FuelExpended;
 241 }
 242
 243 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 244
 245 double FGRocket::CalcOxidizerNeed(void)
 246 {
 247   double dT = State->Getdt()*Propulsion->GetRate();
 248   OxidizerFlowRate = SLOxiFlowMax*PctPower;
 249   OxidizerExpended = OxidizerFlowRate*dT;
 250   return OxidizerExpended;
 251 }
 252
 253 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 254
 255 string FGRocket::GetEngineLabels(string delimeter)
 256 {
 257   std::ostringstream buf;
 258
 259   buf << Name << " Total Impulse (engine " << EngineNumber << " in psf)" << delimeter
 260       << Thruster->GetThrusterLabels(EngineNumber, delimeter);
 261
 262   return buf.str();
 263 }
 264
 265 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 266
 267 string FGRocket::GetEngineValues(string delimeter)
 268 {
 269   std::ostringstream buf;
 270
 271   buf << It << delimeter << Thruster->GetThrusterValues(EngineNumber, delimeter);
 272
 273   return buf.str();
 274 }
 275
 276 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 277 // This funciton should tie properties to rocket engine specific properties
 278 // that are not bound in the base class (FGEngine) code.
 279 //
 280 void FGRocket::bindmodel()
 281 {
 282   string property_name, base_property_name;
 283   base_property_name = CreateIndexedPropertyName("propulsion/engine", EngineNumber);
 284
 285   property_name = base_property_name + "/total-impulse";
 286   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetTotalImpulse);
 287   property_name = base_property_name + "/oxi-flow-rate-pps";
 288   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetOxiFlowRate);
 289   property_name = base_property_name + "/vacuum-thrust_lbs";
 290   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetVacThrust);
 291 }
 292
 293 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 294 //    The bitmasked value choices are as follows:
 295 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 296 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 297 //       the config files as they are read. If the environment
 298 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 299 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 300 //       whatsoever.
 301 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 302 //       startup messages
 303 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 304 //       a class is instantiated
 305 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 306 //       FGModel object executes its Run() method
 307 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 308 //       are printed out periodically
 309 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 310 //       a message is printed out when they go out of bounds
 311
 312 void FGRocket::Debug(int from)
 313 {
 314   if (debug_lvl <= 0) return;
 315
 316   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 317     if (from == 0) { // Constructor
 318       cout << "      Engine Name: " << Name << endl;
 319       cout << "      Vacuum Isp = " << Isp << endl;
 320       cout << "      Maximum Throttle = " << MaxThrottle << endl;
 321       cout << "      Minimum Throttle = " << MinThrottle << endl;
 322       cout << "      Fuel Flow (max) = " << SLFuelFlowMax << endl;
 323       cout << "      Oxidizer Flow (max) = " << SLOxiFlowMax << endl;
 324       cout << "      Mixture ratio = " << SLOxiFlowMax/SLFuelFlowMax << endl;
 325     }
 326   }
 327   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 328     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGRocket" << endl;
 329     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGRocket" << endl;
 330   }
 331   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 332   }
 333   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 334   }
 335   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 336   }
 337   if (debug_lvl & 64) {
 338     if (from == 0) { // Constructor
 339       cout << IdSrc << endl;
 340       cout << IdHdr << endl;
 341     }
 342   }
 343 }
 344 }