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 <iostream>
  42 #include <sstream>
  43 #include "FGRocket.h"
  44 #include "models/FGPropulsion.h"
  45 #include "FGThruster.h"
  46 #include "FGTank.h"
  47
  48 using namespace std;
  49
  50 namespace JSBSim {
  51
  52 static const char *IdSrc = "$Id: FGRocket.cpp,v 1.20 2010/08/21 17:13:48 jberndt Exp $";
  53 static const char *IdHdr = ID_ROCKET;
  54
  55 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  56 CLASS IMPLEMENTATION
  57 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  58
  59 FGRocket::FGRocket(FGFDMExec* exec, Element *el, int engine_number)
  60   : FGEngine(exec, el, engine_number)
  61 {
  62   Type = etRocket;
  63   Element* thrust_table_element = 0;
  64   ThrustTable = 0L;
  65   BurnTime = 0.0;
  66   previousFuelNeedPerTank = 0.0;
  67   previousOxiNeedPerTank = 0.0;
  68   PropellantFlowRate = 0.0;
  69   FuelFlowRate = FuelExpended = 0.0;
  70   OxidizerFlowRate = OxidizerExpended = 0.0;
  71   SLOxiFlowMax = SLFuelFlowMax = 0.0;
  72   BuildupTime = 0.0;
  73   It = 0.0;
  74   ThrustVariation = 0.0;
  75   TotalIspVariation = 0.0;
  76   Flameout = false;
  77
  78   // Defaults
  79    MinThrottle = 0.0;
  80    MaxThrottle = 1.0;
  81
  82   if (el->FindElement("isp"))
  83     Isp = el->FindElementValueAsNumber("isp");
  84   if (el->FindElement("builduptime"))
  85     BuildupTime = el->FindElementValueAsNumber("builduptime");
  86   if (el->FindElement("maxthrottle"))
  87     MaxThrottle = el->FindElementValueAsNumber("maxthrottle");
  88   if (el->FindElement("minthrottle"))
  89     MinThrottle = el->FindElementValueAsNumber("minthrottle");
  90   if (el->FindElement("slfuelflowmax"))
  91     SLFuelFlowMax = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("slfuelflowmax", "LBS/SEC");
  92   if (el->FindElement("sloxiflowmax"))
  93     SLOxiFlowMax = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("sloxiflowmax", "LBS/SEC");
  94
  95   // If there is a thrust table element, this is a solid propellant engine.
  96   thrust_table_element = el->FindElement("thrust_table");
  97   if (thrust_table_element) {
  98     ThrustTable = new FGTable(PropertyManager, thrust_table_element);
  99     Element* variation_element = el->FindElement("variation");
 100     if (variation_element) {
 101       if (variation_element->FindElement("thrust")) {
 102         ThrustVariation = variation_element->FindElementValueAsNumber("thrust");
 103       }
 104       if (variation_element->FindElement("total_isp")) {
 105         TotalIspVariation = variation_element->FindElementValueAsNumber("total_isp");
 106       }
 107     }
 108   }
 109
 110   bindmodel();
 111
 112   Debug(0);
 113 }
 114
 115 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 116
 117 FGRocket::~FGRocket(void)
 118 {
 119   delete ThrustTable;
 120   Debug(1);
 121 }
 122
 123 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 124
 125 void FGRocket::Calculate(void)
 126 {
 127   double dT = FDMExec->GetDeltaT()*Propulsion->GetRate();
 128
 129   RunPreFunctions();
 130
 131   if (!Flameout && !Starved) ConsumeFuel();
 132
 133   PropellantFlowRate = (FuelExpended + OxidizerExpended)/dT;
 134   Throttle = FCS->GetThrottlePos(EngineNumber);
 135
 136   // If there is a thrust table, it is a function of propellant burned. The
 137   // engine is started when the throttle is advanced to 1.0. After that, it
 138   // burns without regard to throttle setting.
 139
 140   if (ThrustTable != 0L) { // Thrust table given -> Solid fuel used
 141
 142     if ((Throttle == 1 || BurnTime > 0.0 ) && !Starved) {
 143       double TotalEngineFuelBurned=0.0;
 144       for (int i=0; i<(int)SourceTanks.size(); i++) {
 145         FGTank* tank = Propulsion->GetTank(i);
 146         if (SourceTanks[i] == 1) {
 147           TotalEngineFuelBurned += tank->GetCapacity() - tank->GetContents();
 148         }
 149       }
 150
 151       VacThrust = ThrustTable->GetValue(TotalEngineFuelBurned)
 152                 * (ThrustVariation + 1)
 153                 * (TotalIspVariation + 1);
 154       if (BurnTime <= BuildupTime && BuildupTime > 0.0) {
 155         VacThrust *= sin((BurnTime/BuildupTime)*M_PI/2.0);
 156         // VacThrust *= (1-cos((BurnTime/BuildupTime)*M_PI))/2.0; // 1 - cos approach
 157       }
 158       BurnTime += FDMExec->GetDeltaT(); // Increment burn time
 159     } else {
 160       VacThrust = 0.0;
 161     }
 162
 163   } else { // liquid fueled rocket assumed
 164
 165     if (Throttle < MinThrottle || Starved) { // Combustion not supported
 166
 167       PctPower = 0.0; // desired thrust
 168       Flameout = true;
 169       VacThrust = 0.0;
 170
 171     } else { // Calculate thrust
 172
 173       // This is nonsensical. Max throttle should be assumed to be 1.0. One might
 174       // conceivably have a throttle setting > 1.0 for some rocket engines. But, 1.0
 175       // should always be the default.
 176       // PctPower = Throttle / MaxThrottle; // Min and MaxThrottle range from 0.0 to 1.0, normally.
 177
 178       PctPower = Throttle;
 179       Flameout = false;
 180       VacThrust = Isp * PropellantFlowRate;
 181
 182     }
 183
 184   } // End thrust calculations
 185
 186   It += Thruster->Calculate(VacThrust) * dT;
 187
 188   RunPostFunctions();
 189 }
 190
 191 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 192 // This overrides the base class ConsumeFuel() function, for special rocket
 193 // engine processing.
 194
 195 void FGRocket::ConsumeFuel(void)
 196 {
 197   unsigned int i;
 198   FGTank* Tank;
 199   bool haveOxTanks = false;
 200   double Fshortage=0, Oshortage=0, TanksWithFuel=0, TanksWithOxidizer=0;
 201
 202   if (FuelFreeze) return;
 203   if (TrimMode) return;
 204
 205   // Count how many assigned tanks have fuel for this engine at this time.
 206   // If there is/are fuel tanks but no oxidizer tanks, this indicates
 207   // a solid rocket is being modeled.
 208
 209   for (i=0; i<SourceTanks.size(); i++) {
 210     Tank = Propulsion->GetTank(i);
 211     switch(Tank->GetType()) {
 212       case FGTank::ttFUEL:
 213         if (Tank->GetContents() > 0.0 && Tank->GetSelected() && SourceTanks[i] > 0) ++TanksWithFuel;
 214         break;
 215       case FGTank::ttOXIDIZER:
 216         if (Tank->GetContents() > 0.0 && Tank->GetSelected() && SourceTanks[i] > 0) {
 217           haveOxTanks = true;
 218           ++TanksWithOxidizer;
 219         }
 220         break;
 221     }
 222   }
 223
 224   // If this engine has burned out, it is starved.
 225
 226   if (TanksWithFuel==0 || (haveOxTanks && TanksWithOxidizer==0)) {
 227     Starved = true;
 228     return;
 229   }
 230
 231   // Expend fuel from the engine's tanks if the tank is selected as a source
 232   // for this engine.
 233
 234   double fuelNeedPerTank = 0;
 235   double oxiNeedPerTank = 0;
 236
 237   if (TanksWithFuel > 0) fuelNeedPerTank = CalcFuelNeed()/TanksWithFuel;
 238   if (TanksWithOxidizer > 0) oxiNeedPerTank = CalcOxidizerNeed()/TanksWithOxidizer;
 239
 240   for (i=0; i<SourceTanks.size(); i++) {
 241     Tank = Propulsion->GetTank(i);
 242     if ( ! Tank->GetSelected() || SourceTanks[i] == 0) continue; // If this tank is not selected as a source, skip it.
 243     switch(Tank->GetType()) {
 244       case FGTank::ttFUEL:
 245         Fshortage += Tank->Drain(2.0*fuelNeedPerTank - previousFuelNeedPerTank);
 246         previousFuelNeedPerTank = fuelNeedPerTank;
 247         break;
 248       case FGTank::ttOXIDIZER:
 249         Oshortage += Tank->Drain(2.0*oxiNeedPerTank - previousOxiNeedPerTank);
 250         previousOxiNeedPerTank = oxiNeedPerTank;
 251         break;
 252     }
 253   }
 254
 255   if (Fshortage < 0.00 || (haveOxTanks && Oshortage < 0.00)) Starved = true;
 256   else Starved = false;
 257 }
 258
 259 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 260 //
 261 // The FuelFlowRate can be affected by the TotalIspVariation value (settable
 262 // in a config file or via properties). The TotalIspVariation parameter affects
 263 // thrust, but the thrust determines fuel flow rate, so it must be adjusted
 264 // for Total Isp Variation.
 265
 266 double FGRocket::CalcFuelNeed(void)
 267 {
 268   double dT = FDMExec->GetDeltaT()*Propulsion->GetRate();
 269
 270   if (ThrustTable != 0L) {          // Thrust table given - infers solid fuel
 271     FuelFlowRate = VacThrust/Isp;   // This calculates wdot (weight flow rate in lbs/sec)
 272     FuelFlowRate /= (1 + TotalIspVariation);
 273   } else {
 274     FuelFlowRate = SLFuelFlowMax*PctPower;
 275   }
 276
 277   FuelExpended = FuelFlowRate*dT; // For this time step ...
 278   return FuelExpended;
 279 }
 280
 281 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 282
 283 double FGRocket::CalcOxidizerNeed(void)
 284 {
 285   double dT = FDMExec->GetDeltaT()*Propulsion->GetRate();
 286   OxidizerFlowRate = SLOxiFlowMax*PctPower;
 287   OxidizerExpended = OxidizerFlowRate*dT;
 288   return OxidizerExpended;
 289 }
 290
 291 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 292
 293 string FGRocket::GetEngineLabels(const string& delimiter)
 294 {
 295   std::ostringstream buf;
 296
 297   buf << Name << " Total Impulse (engine " << EngineNumber << " in psf)" << delimiter
 298       << Thruster->GetThrusterLabels(EngineNumber, delimiter);
 299
 300   return buf.str();
 301 }
 302
 303 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 304
 305 string FGRocket::GetEngineValues(const string& delimiter)
 306 {
 307   std::ostringstream buf;
 308
 309   buf << It << delimiter << Thruster->GetThrusterValues(EngineNumber, delimiter);
 310
 311   return buf.str();
 312 }
 313
 314 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 315 // This function should tie properties to rocket engine specific properties
 316 // that are not bound in the base class (FGEngine) code.
 317 //
 318 void FGRocket::bindmodel()
 319 {
 320   string property_name, base_property_name;
 321   base_property_name = CreateIndexedPropertyName("propulsion/engine", EngineNumber);
 322
 323   property_name = base_property_name + "/total-impulse";
 324   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetTotalImpulse);
 325   property_name = base_property_name + "/vacuum-thrust_lbs";
 326   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetVacThrust);
 327
 328   if (ThrustTable) { // Solid rocket motor
 329     property_name = base_property_name + "/thrust-variation_pct";
 330     PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetThrustVariation,
 331                                                        &FGRocket::SetThrustVariation);
 332     property_name = base_property_name + "/total-isp-variation_pct";
 333     PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetTotalIspVariation,
 334                                                        &FGRocket::SetTotalIspVariation);
 335   } else { // Liquid rocket motor
 336     property_name = base_property_name + "/oxi-flow-rate-pps";
 337     PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGRocket::GetOxiFlowRate);
 338   }
 339 }
 340
 341 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 342 //    The bitmasked value choices are as follows:
 343 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 344 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 345 //       the config files as they are read. If the environment
 346 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 347 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 348 //       whatsoever.
 349 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 350 //       startup messages
 351 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 352 //       a class is instantiated
 353 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 354 //       FGModel object executes its Run() method
 355 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 356 //       are printed out periodically
 357 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 358 //       a message is printed out when they go out of bounds
 359
 360 void FGRocket::Debug(int from)
 361 {
 362   if (debug_lvl <= 0) return;
 363
 364   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 365     if (from == 0) { // Constructor
 366       cout << "      Engine Name: " << Name << endl;
 367       cout << "      Vacuum Isp = " << Isp << endl;
 368       cout << "      Maximum Throttle = " << MaxThrottle << endl;
 369       cout << "      Minimum Throttle = " << MinThrottle << endl;
 370       cout << "      Fuel Flow (max) = " << SLFuelFlowMax << endl;
 371       cout << "      Oxidizer Flow (max) = " << SLOxiFlowMax << endl;
 372       if (SLFuelFlowMax > 0)
 373         cout << "      Mixture ratio = " << SLOxiFlowMax/SLFuelFlowMax << endl;
 374     }
 375   }
 376   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 377     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGRocket" << endl;
 378     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGRocket" << endl;
 379   }
 380   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 381   }
 382   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 383   }
 384   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 385   }
 386   if (debug_lvl & 64) {
 387     if (from == 0) { // Constructor
 388       cout << IdSrc << endl;
 389       cout << IdHdr << endl;
 390     }
 391   }
 392 }
 393 }