火箭推力计算流程详解 (Thrust Calculation Pipeline)

概述 (Overview)

推力系统遵循 5 阶段数据流：YAML 配置 → CSV 表格加载 → 发动机状态机 → 真空推力查表 → 动力学力管线。它跨越了三个命名空间（io, rocket, dynamics），并使用单子化（Monadic）的 BodyRWS 架构进行纯函数式组合。

---

阶段 1：配置加载 (Configuration Loading: YAML → Structs)

入口点 (Entry Point): data/input/rocket_v1/rocket.yaml:19-20

devices: "devices.yaml"

火箭配置引用外部的 devices.yaml 文件。

设备配置 (Device Config): data/input/rocket_v1/devices.yaml:1-55

在 COMPOSITE 键下定义发动机组。每台发动机包含：

• id — 例如 "center_engine", "peripheral_engine_1"
• rated_thrust — 标称真空推力 (牛顿)，中心发动机为 679700.0，周向为 693357.143。
• install — 物理安装几何（万向节限位、方位角、安装角、执行器偏差、轴向/径向偏移）。
• tables — 6 个用于插值曲线的 CSV 文件路径。

加载链 (Loading Chain):

1. BodyAsset::load_from_yaml() (src/dynamics/config/BodyAsset.cpp:48-52) 检测到 devices 键，解析路径并委托给：
2. EngineConfig::load_from_yaml() (src/rocket/device/actuator/EngineConfig.cpp:31-106)
   • 递归处理标量节点（文件引用）（35-39 行）。
   • 解析顶层常量：rated_thrust_center, rated_thrust_peripheral, skip_liftoff_time_calculation, real_liftoff_time。
   • 迭代映射键作为阶段组名（48 行）。
   • 为每个组解析可选的 deviations（4 元素数组，56-62 行）和 engines 列表。
   • 为每个发动机节点构建 EngineUnitConfig（70-101 行）：
     • 解析 InstallParams（75-81 行）。
     • 通过 CSVReader::load_table_1d() 加载 6 个 CSV 表到 shared_ptr<InterpTable1D>（93-98 行）。
   • 填充 engine_groups[key]（分组）和 engines（平铺列表）。

核心结构体 (Key Structs):

InstallParams (src/rocket/device/actuator/EngineConfig.h:19-26):

struct InstallParams {
    double gimbal_limit;              // rad
    double location_angle;            // 喷管方位角 (rad)
    double gimbal_install_angle;      // 喷管安装角 (rad)
    double actuator_install_deviation; // 舵机扭转偏差 (rad)
    double x_offset;                  // 距离头部的轴向偏移 (m)
    double z_offset;                  // 径向偏移 (m), 中心发动机为 0
};

EngineUnitConfig (src/rocket/device/actuator/EngineConfig.h:31-43):

struct EngineUnitConfig {
    std::string id;
    InstallParams install;
    double rated_thrust;
    shared_ptr<InterpTable1D> thrust_start;     // 起动推力曲线
    shared_ptr<InterpTable1D> thrust_stop;      // 关机推力曲线
    shared_ptr<InterpTable1D> mass_flux_start;  // 起动质量流
    shared_ptr<InterpTable1D> mass_flux_stop;   // 关机质量流
    shared_ptr<InterpTable1D> perturb;          // 摄动系数
    shared_ptr<InterpTable1D> params;           // 运行参数 vs 推力
};

EngineConfig (class) (src/rocket/device/actuator/EngineConfig.h:51-75):

class EngineConfig {
    map<string, vector<EngineUnitConfig>> engine_groups;     // 按阶段分组
    map<string, array<double,4>> stage_deviations;           // 摄动种子
    vector<EngineUnitConfig> engines;                        // 平铺列表
    bool skip_liftoff_time_calculation = false;
    double real_liftoff_time = 0.0;
    double rated_thrust_center = 0.0;
    double rated_thrust_peripheral = 0.0;
};

---

阶段 2：CSV 表格加载与插值 (CSV Table Loading & Interpolation)

CSV 读取器 (CSV Reader): src/io/reader/CSVReader.h:26-68

CSVReader::load_table_1d() 读取 CSV 文件，其中第 0 列是自变量 (x)，第 1..N 列是因变量 (y)。跳过以 # 开头或为空的行。

InterpTable1D: src/io/types/InterpTable1D.h:23-157

核心插值表功能：

• x_values — 断点。
• y_columns — 多个输出列。
• interpolator(col_index) — 返回单列查找的 std::function<double(double)> 闭包。
• all_interpolator() — 返回一次性查找所有列的 std::function<vector<double>(double)> 闭包。
• 使用 线性插值 并在边界处钳位（139-156 行）：
  • 低于最小 x → 返回第一个 y。
  • 高于最大 x → 返回最后一个 y。
  • 否则 → y0 + t * (y1 - y0)，其中 t = (x - x0) / (x1 - x0)。

每个发动机的 6 张 CSV 表:

表名 (Table)	X 轴 (X-axis)	Y 列 (Y-columns)	用途 (Purpose)
thrust_start	时间 (s)	推力 (N)	起动爬升过程 (0→3s，随后稳定)
thrust_stop	时间 (s)	推力 (N)	关机衰减过程 (0→1s)
mass_flux_start	时间 (s)	燃料 (kg/s), 氧化剂 (kg/s)	起动过程质量流
mass_flux_stop	时间 (s)	燃料 (kg/s), 氧化剂 (kg/s)	关机过程质量流
params	推力 (N)	参考推力, Isp, 燃料流量, 氧化剂流量	以推力水平索引的运行参数
perturb	油门比 (throttle ratio)	12 个摄动系数	小偏差修正矩阵

示例: center_thrust_start.csv 显示推力从 t=0.7s 时的 0N 爬升至 t=3.0s 时的 679723N。

---

阶段 3：发动机状态机与真空输出 (Engine State Machine & Vacuum Output)

发动机状态 (Engine States): src/rocket/device/actuator/EngineState.h:11-16

OFF → STARTING → RUNNING → SHUTTING_DOWN → OFF

状态机 (State Machine): EngineModel::evaluate_phase() (src/rocket/device/actuator/EngineModel.h:14-60)

• 处理 BusMessage 命令以触发状态转换。
• OFF + cmd_active → STARTING (elapsed_time = 0 或 real_liftoff_time)。
• STARTING + !cmd_active → OFF。
• RUNNING + !cmd_active → SHUTTING_DOWN。
• 自动转换：STARTING 3.0s 后 → RUNNING；SHUTTING_DOWN 1.0s 后 → OFF。

真空输出 (Vacuum Output): EngineModel::evaluate_vacuum_output() (src/rocket/device/actuator/EngineModel.h:63-110)

这是核心推力查表逻辑，根据发动机相位分支：

• STARTING: vacuum_thrust = throttle * thrust_start.interpolate(elapsed_time)，质量流从 mass_flux_start 按 base_t 索引。
• RUNNING: vacuum_thrust = throttle * rated_thrust，质量流从 params 第 2, 3 列按 base_t 索引。
• SHUTTING_DOWN: vacuum_thrust = throttle * thrust_stop.interpolate(elapsed_time)，质量流从 mass_flux_stop 按 base_t 索引。
• OFF: 全部为 0。

返回一个 EngineEffect 结构体。

EngineEffect: src/rocket/interface/PhysicalEffect.h:13-25

struct EngineEffect {
    uint32_t engine_id;
    double vacuum_thrust;
    double mass_flow_fuel;
    double mass_flow_ox;
    double current_throttle;
    Angle nozzle_pitch;
    Angle nozzle_yaw;
};

---

阶段 4：动力学推力管线 (Dynamics Thrust Pipeline: BodyRWS)

EngineEffect 向量跨越火箭→动力学边界并进入 compute_thrust_pipeline()。

管线 (Pipeline): src/dynamics/pipeline/Thrust.cpp:145-153

apply_perturbation → compensate_ambient_pressure → resolve_thrust_vectors

三个单子化阶段使用 >> (bind) 链式调用：

4a. 摄动修正 (Perturbation Correction): Thrust.cpp:40-85

• 通过 body.body_id 从 EngineConfig 查找 stage_deviations (4 元素数组: [δφ, δψ, δγ, δx])。
• 对于每个 vacuum_thrust > 0 且具有有效 perturb/params 表的发动机：
  1. 通过 perturb->all_interpolator() 在 current_throttle 处插值所有 12 个摄动系数。
  2. 使用 4 个偏差参数与系数子集的点积计算 3 个修正量：
     • dF = Σ(stage_dev[i] * coeffs[0..3]) — 推力修正。
     • dMf_f = Σ(stage_dev[i] * coeffs[4..7]) — 燃料流量修正。
     • dMf_ox = Σ(stage_dev[i] * coeffs[8..11]) — 氧化剂流量修正。
  3. 从 params 表获取参考推力。
  4. 应用：vacuum_thrust = vacuum_thrust + dF - ref_thrust。

4b. 环境压力补偿 (Ambient Pressure Compensation): Thrust.cpp:88-105

• 从 AeroCtx 读取 static_pressure。
• 对于每个发动机：actual_thrust = vacuum_thrust + Sa * (101325.0 - pressure)
  • Sa = 0.6578 (喷管出口面积 m²，目前硬编码 — 95 行标记为 TODO)。
  • 这是标准的喷管出口面积压力修正：在海平面 (101325 Pa) 补偿值为 0；在真空下增加 Sa * 101325 N。

4c. 矢量分解与力矩 (Vector Resolution & Torque): Thrust.cpp:108-141

对于每台发动机：

1. 喷管坐标系推力矢量 (Thrust.cpp:11-16): F_nozzle = magnitude * [cos(gz)*cos(gy), sin(gz)*cos(gy), -sin(gy)] 其中 gy = 万向节偏航 (yaw)，gz = 万向节俯仰 (pitch)（来自舵机）。
2. 喷管到体轴旋转 (Thrust.cpp:18-21): R = transpose(Rz(τ) * Ry(r) * Rx(φ)) 其中 φ = location_angle, r = gimbal_install_angle, τ = actuator_install_deviation。
3. 体轴系作用力: F_body = R * F_nozzle
4. 力臂 (Thrust.cpp:23-25): lever = [centroid_x - x_offset, 0, z_offset] 其中 centroid_x 是来自 body.inertial_state.centroid 的当前质心位置。
5. 力矩: torque = lever × F_body
6. 累加: 将所有发动机的 F_body 和 torque 累加到 ThrustAndMassFlux.ft，并求和所有质量流。

输出类型 (Output Types): src/dynamics/interface/PhysicalTypes.h:1-64

struct ThrustAndMassFlux {
    vector<EngineForceState> engine_states;  // 单个发动机结果
    ForceAndTorque ft;                       // 体轴系总力和力矩
    MassFluxResult mf;                       // 总/燃料/氧化剂质量流
};

---

阶段 5：整合至物理注册表 (Integration into PhysicalRegistry)

src/dynamics/pipeline/PhysicalRegistry.cpp:13-97

WorldRWS 编排器逻辑：

1. 并行分发 (Parallel dispatch) (30-78 行): 为每个物体启动 std::async:
   • 探测上下文：TrajectoryCtx, AeroCtx, MassPropsCtx。
   • 注入包含资产（包含 EngineConfig）、探测到的上下文和时间的 BodyEnv。
   • 构建管线：Forces::zero() >> compute_thrust_pipeline >> compute_aero_forces >> compute_gravity_forces。
   • 推力结果累加至 Forces:

     next_f.total_force_b += res.ft.force;
     next_f.total_moment_b += res.ft.torque;
     next_f.d_mass_dt += res.mf.total;
     next_f.d_fuel_dt += res.mf.fuel;
     next_f.d_oxidizer_dt += res.mf.oxidizer;

2. 合并 (Merge) (80-94 行): 收集 futures，更新 WorldState.bodies，通过单子加法合并 DynLog。

环境注入路径 (Environment Injection Path):

WorldEnv.body_assets["COMPOSITE"].engines (EngineConfig) → BodyEnv.asset.engines → 动力学内核通过 body_ask() → env.asset.engines.engines[i] 访问。

---

数据流简图 (Summary Data Flow Diagram)

YAML (devices.yaml)
  └→ EngineConfig::load_from_yaml()
       └→ CSVReader::load_table_1d() × 每台发动机 6 张表
            └→ InterpTable1D (带边界钳位的线性插值)

BusMessage (点火命令)
  └→ EngineModel::evaluate_phase()         [状态机: OFF→STARTING→RUNNING→SHUTTING_DOWN]
       └→ EngineModel::evaluate_vacuum_output()  [基于相位和油门的查表]
            └→ EngineEffect {真空推力, 质量流, 喷管角度}

EngineEffect[]
  └→ compute_thrust_pipeline()             [BodyRWS 单子链]
       ├→ apply_perturbation()             [基于摄动表的小偏差修正]
       ├→ compensate_ambient_pressure()    [F = F_vac + Sa*(P0 - P_atm)]
       └→ resolve_thrust_vectors()         [喷管→体轴旋转, 力臂, 力矩]
            └→ ThrustAndMassFlux {体轴力, 体轴力矩, 质量流}

PhysicalRegistry (WorldRWS)
  └→ 累加至 Forces → 馈送给 ODE 积分器