src/FDM/YASim/Jet.cpp

   1 #include "Atmosphere.hpp"
   2 #include "Math.hpp"
   3 #include "Jet.hpp"
   4 namespace yasim {
   5
   6 Jet::Jet()
   7 {
   8     _maxThrust = 0;
   9     _abFactor = 1;
  10     _reheat = 0;
  11     _rotControl = 0;
  12     _maxRot = 0;
  13
  14     // Initialize parameters for an early-ish subsonic turbojet.  More
  15     // recent turbofans will typically have a lower vMax, epr0, and
  16     // tsfc.
  17     _vMax = 800;
  18     _epr0 = 3.0;
  19     _tsfc = 0.8f;
  20     _egt0 = 1050;
  21     _n1Min = 55;
  22     _n1Max = 102;
  23     _n2Min = 73;
  24     _n2Max = 103;
  25     setSpooling(4); // 4 second spool time? s'bout right.
  26
  27     // And initialize to an engine that is idling
  28     _n1 = _n1Min;
  29     _n2 = _n2Min;
  30
  31     // And sanify the remaining junk, just in case.
  32     _running = true;
  33     _cranking = false;
  34     _fuel = true;
  35     _epr = 1;
  36     _fuelFlow = 0;
  37     _egt = 273;
  38     _tempCorrect = 1;
  39     _pressureCorrect = 1;
  40 }
  41
  42 void Jet::stabilize()
  43 {
  44     // Just run it for an hour, there's no need to iterate given the
  45     // algorithms used.
  46     integrate(3600);
  47 }
  48
  49 void Jet::setMaxThrust(float thrust, float afterburner)
  50 {
  51     _maxThrust = thrust;
  52     if(afterburner == 0) _abFactor = 1;
  53     else                 _abFactor = afterburner/thrust;
  54 }
  55
  56 void Jet::setVMax(float spd)
  57 {
  58     _vMax = spd;
  59 }
  60
  61 void Jet::setTSFC(float tsfc)
  62 {
  63     _tsfc = tsfc;
  64 }
  65
  66 void Jet::setRPMs(float idleN1, float maxN1, float idleN2, float maxN2)
  67 {
  68     _n1Min = idleN1;
  69     _n1Max = maxN1;
  70     _n2Min = idleN2;
  71     _n2Max = maxN2;
  72 }
  73
  74 void Jet::setEGT(float takeoffEGT)
  75 {
  76     _egt0 = takeoffEGT;
  77 }
  78
  79 void Jet::setEPR(float takeoffEPR)
  80 {
  81     _epr0 = takeoffEPR;
  82 }
  83
  84 void Jet::setSpooling(float time)
  85 {
  86     // 2.3 = -ln(0.1), i.e. x=2.3 is the 90% point we're defining
  87     // The extra fudge factor is there because the N1 speed (which
  88     // determines thrust) lags the N2 speed.
  89     _decay = 1.5f * 2.3f / time;
  90 }
  91
  92 void Jet::setVectorAngle(float angle)
  93 {
  94     _maxRot = angle;
  95 }
  96
  97 void Jet::setReheat(float reheat)
  98 {
  99     _reheat = Math::clamp(reheat, 0, 1);
 100 }
 101
 102 void Jet::setRotation(float rot)
 103 {
 104     if(rot < 0) rot = 0;
 105     if(rot > 1) rot = 1;
 106     _rotControl = rot;
 107 }
 108
 109 float Jet::getN1()
 110 {
 111     return _n1 * _tempCorrect;
 112 }
 113
 114 float Jet::getN2()
 115 {
 116     return _n2 * _tempCorrect;
 117 }
 118
 119 float Jet::getEPR()
 120 {
 121     return _epr;
 122 }
 123
 124 float Jet::getEGT()
 125 {
 126     // Exactly zero means "off" -- return the ambient temperature
 127     if(_egt == 0) return _temp;
 128
 129     return _egt * _tempCorrect * _tempCorrect;
 130 }
 131
 132 float Jet::getFuelFlow()
 133 {
 134     return _fuelFlow * _pressureCorrect;
 135 }
 136
 137 void Jet::integrate(float dt)
 138 {
 139     // Sea-level values
 140     const static float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
 141     const static float T0 = Atmosphere::getStdTemperature(0);
 142     const static float D0 = Atmosphere::getStdDensity(0);
 143
 144     float speed = -Math::dot3(_wind, _dir);
 145
 146     float statT, statP, statD;
 147     Atmosphere::calcStaticAir(_pressure, _temp, _rho, speed,
 148                               &statP, &statT, &statD);
 149     _pressureCorrect = statP/P0;
 150     _tempCorrect = Math::sqrt(statT/T0);
 151
 152     // Handle running out of fuel.  This is a hack.  What should
 153     // really happen is a simulation of ram air torque on the
 154     // turbine.  This just forces the engine into ground idle.
 155     if(_fuel == false)
 156         _throttle = 0;
 157
 158     // Linearly taper maxThrust to zero at vMax
 159     float vCorr = 1 - (speed/_vMax);
 160
 161     float maxThrust = _maxThrust * vCorr * (statD/D0);
 162     float setThrust = maxThrust * _throttle;
 163
 164     // Now get a "beta" (i.e. EPR - 1) value.  The output values are
 165     // expressed as functions of beta.
 166     float ibeta0 = 1/(_epr0 - 1);
 167     float betaTarget = (_epr0 - 1) * (setThrust/_maxThrust) * (P0/_pressure)
 168         * (_temp/statT);
 169     float n2Target = _n2Min + (betaTarget*ibeta0) * (_n2Max - _n2Min);
 170
 171     // Note that this "first" beta value is used to compute a target
 172     // for N2 only Integrate the N2 speed and back-calculate a beta1
 173     // target.  The N1 speed will seek to this.
 174     _n2 = (_n2 + dt*_decay * n2Target) / (1 + dt*_decay);
 175
 176     float betaN2 = (_epr0-1) * (_n2 - _n2Min) / (_n2Max - _n2Min);
 177     float n1Target = _n1Min + betaN2*ibeta0 * (_n1Max - _n1Min);
 178     _n1 = (_n1 + dt*_decay * n1Target) / (1 + dt*_decay);
 179
 180     // The actual thrust produced is keyed to the N1 speed.  Add the
 181     // afterburners in at the end.
 182     float betaN1 =  (_epr0-1) * (_n1 - _n1Min) / (_n1Max - _n1Min);
 183     _thrust = _maxThrust * betaN1/((_epr0-1)*(P0/_pressure)*(_temp/statT));
 184     _thrust *= 1 + _reheat*(_abFactor-1);
 185
 186     // Finally, calculate the output variables.   Use a 80/20 mix of
 187     // the N2/N1 speeds as the key.
 188     float beta = 0.8f*betaN2 + 0.2f*betaN1;
 189     _epr = beta + 1;
 190     float ff0 = _maxThrust*_tsfc*(1/(3600.0f*9.8f)); // takeoff fuel flow, kg/s
 191     _fuelFlow = ff0 * beta*ibeta0;
 192     _fuelFlow *= 1 + (3.5f * _reheat * _abFactor); // Afterburners take
 193                                                   // 3.5 times as much
 194                                                   // fuel per thrust unit
 195     _egt = T0 + beta*ibeta0 * (_egt0 - T0);
 196 }
 197
 198 bool Jet::isRunning()
 199 {
 200     return _running;
 201 }
 202
 203 bool Jet::isCranking()
 204 {
 205     return _cranking;
 206 }
 207
 208 void Jet::getThrust(float* out)
 209 {
 210     Math::mul3(_thrust, _dir, out);
 211
 212     // Rotate about the Y axis for thrust vectoring
 213     float angle = _rotControl * _maxRot;
 214     float s = Math::sin(angle);
 215     float c = Math::cos(angle);
 216     float o0 = out[0];
 217     out[0] =  c * o0 + s * out[2];
 218     out[2] = -s * o0 + c * out[2];
 219 }
 220
 221 void Jet::getTorque(float* out)
 222 {
 223     out[0] = out[1] = out[2] = 0;
 224     return;
 225 }
 226
 227 void Jet::getGyro(float* out)
 228 {
 229     out[0] = out[1] = out[2] = 0;
 230     return;
 231 }
 232
 233 }; // namespace yasim