降落伞的计算机仿真研究

降落伞是一种应用广泛的气动力减速装置,其试验费用在整个开发、研制费用中,占有很大的比例。如何节省这笔费用,运用计算机仿真技术无疑是个最佳办法和途径。文章总结了降落伞仿真的一些情况和降落伞仿真所遇到的关键技术,并提出了在降落伞仿真中所面临的主要问题及解决这些问题的一般方法,可为降落伞研究提供参考。     

考虑尾流影响的降落伞弹射拉直过程研究

降落伞的弹射拉直是其工作的第一个也是至关重要的一个环节。航天器在超声速状态下的尾流性质也非常复杂,因此,如何考虑前体航天器尾流对降落伞弹射拉直过程的影响是一个值得研究的问题。文章首先采用CFD方法计算出航天器的超声速尾流数据,然后建立降落伞弹射拉直过程的动力学模型。由于降落伞的拉直过程持续时间很短,故在研究过程中将连续尾流离散化为不同时刻的尾流,仅考虑尾流气动力对降落伞弹射拉直过程的影响。具体方法是将弹射拉直时刻计算的航天器尾流区速度场叠加于弹射分离降落伞伞包的空速上,计算考虑航天器尾流影响的伞包气动力,然后通过动力学仿真研究航天器尾流对降落伞弹射拉直过程的影响,重点研究了对伞包运动稳定性的影响。利用该方法对典型工况超声速尾流影响下的降落伞弹射分离过程进行了动力学分析,重点分析了尾流对伞包的运动轨迹和姿态的影响,研究方法和结论对稳定伞弹射拉直过程的验证评估具有重要的参考价值。     

轴对称降落伞稳定下降阶段的流场特性

文章根据降落伞的特点，通过3点假设（伞衣的薄膜假设、降落伞的轴对称假设和流场的定常假设），将三维复杂流动问题，转化成二维轴对称问题，以节约计算时间。然后，建立轴对称降落伞的流体力学计算模型，利用数值模拟手段，求解RNG（Renormalization Group）k-epsilon湍流模型下的N-S方程组，获得与有关单位试验相吻合的计算结果。分析发现带顶孔的轴对称降落伞绕流和亚临界状态下带中心孔的圆球绕流，在尾流区拓扑结构上几乎完全一致。结果表明建立的轴对称降落伞模型，能够揭示降落伞流场的本质特性，为进一步研究降落伞流场的流动机理和流固耦合问题打下基础。     

火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术

为获得火星探测器物伞系统动力学仿真中需要使用的降落伞轴向力、法向力、俯仰力矩系数，开展了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术研究，研制了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验装置，进行了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验，获得了火星探测降落伞模型在马赫数范围0.4～0.8、迎角范围0°～25°时的轴向力、法向力和俯仰力矩系数，并对支撑干扰及洞壁干扰影响进行了扣除修正。试验结果表明：火星探测降落伞模型的轴向力系数随迎角变化较小；常规透气伞的法向力系数随迎角增大而增大，在马赫数为0.4和0.6时，低透气伞的法向力系数在小迎角时随迎角增大而减小；在马赫数范围0.4～0.8时，常规透气伞静稳定，低透气伞的静稳定性较常规透气伞减小，在马赫数为0.4和0.6时，低透气伞在零迎角时静不稳定，出现了非零配平 迎角。     

基于ALE方法的开缝降落伞充气过程研究

为了解某型空投救生伞(平面圆开缝)的开伞特性,文章对其充气过程进行了数值模拟研究。建立了降落伞结构以及流场的计算力学和数值仿真模型,并利用任意拉格朗日-欧拉耦合方法计算得到了流固耦合作用下有缝降落伞的伞衣投影面积和充气过载的数值结果;同时给出了伞衣外形的三维变化结果及流场衍变特性。仿真结果验证了任意拉格朗日-欧拉有限元方法对于开缝型降落伞充气过程数值计算的收敛性和有效性,可用于降落伞试验的模拟和技术验证。     

火星EDL过程动力学仿真平台

"进入、减速、着陆(Entry,Descent,Landing,EDL)"火星的过程是实现整个火星探测任务最为重要的阶段之一,着陆成功与否直接决定探测任务的成败。文章对火星探测器自身气动减速阶段、降落伞弹射拉直阶段、降落伞开伞充气阶段、降落伞全张满减速阶段等EDL关键过程分别建立探测器进入段六自由度动力学模型、降落伞理想拉直过程动力学模型、降落伞开伞充气过程动力学模型、物伞及弹性吊挂组合系统着陆过程动力学模型。并在此基础上研制相应的动力学仿真软件模块,将各模块按照EDL过程进行集成,实现模块间数据传递,形成火星EDL全过程动力学仿真系统。最后对"火星探路者"EDL过程进行了动力学仿真分析,校验了系统的有效性和可行性。该平台可用于火星EDL全过程动力学性能的分析与预测。     

伞包拉出过程仿真及载荷影响分析

航天器回收着陆过程中依靠减速伞将主降落伞伞包从伞舱中拉出是主降落伞顺利工作的第一步,也是航天器能否安全着陆至关重要的一步。释放减速伞后是通过作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上的拉力将主降落伞伞包从主伞舱中拉出的,在释放减速伞拉主降落伞伞包过程中将产生一个很大的载荷作用在减速伞伞带及主降落伞伞包拖带上。文章基于牛顿力学,通过建立释放减速伞后拉主降落伞伞包过程的动力学模型,计算出释放减速伞拉主降落伞伞包过程减速伞伞绳、吊带及主伞包拖带的拉力随时间的变化情况。通过仿真结果分析及与高塔投放试验结果比对,证明了仿真模型的符合性,并在此基础上研究了减速伞自由行程、释放减速伞时下落速度、伞带长度、伞带断裂强力、主伞包质量、减速伞尺寸等因素对伞带载荷的影响程度,根据影响分析结果得出可以通过减小减速伞自由行程、减小释放减速伞时速度、增加伞绳长度、减小伞带总断裂强力、减小主伞包质量、减小主伞包尺寸等设计方法来减小伞带载荷。文章的仿真结果可以为降落伞设计提供参考。     

降落伞拉直过程的三维仿真分析

针对某载人飞船降落伞回收系统的主伞拉直过程,基于多体系统动力学理论,建立了由一系列刚体和质点通过弹性约束组成的三维多体动力学模型。首先,在空投试验条件下,验证了该模型的正确性和仿真结果的有效性;其次,模拟了不同风速不同风向条件下的拉直过程,指出侧向风影响最强,并分析了此规律的动力学机理。对载人飞船降落伞系统拉直过程的仿真研究有助于提高对降落伞拉直过程机理的理解。     

降落伞网格剖分技术研究

降落伞几何建模和网格剖分是降落伞流固耦合数值仿真的基础。文章建立了包括伞衣主体、径向带、伞顶孔和底边加强带的降落伞精细几何模型,并基于软件开发平台VS2010使用C++语言设计并实现了针对该几何模型的网格自动剖分器。该剖分器采用约束Delaunay剖分算法,具有良好的理论基础、生成的网格质量(quality)高,满足降落伞数值仿真对网格质量的要求;并提供接口可将顶点和网格信息导入到商用软件中做进一步求解分析。实验证明,使用文中网格剖分器生成的网格,不但网格单元质量优于使用商用软件生成的网格,而且在网格单元质量相似的情况下,网格单元数量相对较少。同时,该网格在数值仿真中表现良好。     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄，但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型，并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明：降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大，同时，随着大气密度的减小，降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

火星大气对降落伞充气性能影响的初步探讨

探测火星一直是人类深空探测的热点之一,火星上因存在大气层。降落伞一直是确保火星探测器安全着陆于火星表面的一种重要的气动减速装置。然而,由于火星上大气密度非常稀薄,因此掌握降落伞在火星大气环境下的充气性能是火星探测器着陆系统工程设计中的关键,同时也是火星探测器减速着陆系统工作性能评定的理论分析模型或数值仿真系统中必须要解决的一个问题。文章通过降落伞轴向-径向动量守恒充气模型,研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化的影响规律。研究结果表明,目前有关降落伞充气性能的一些经验关系式对于火星这种稀薄大气环境已不再适用;在火星稀薄的大气环境下,降落伞的充气时间、充气距离随大气密度的减小将急剧增大;伞衣阻力面积为充气过程中时间的4次多项式关系。该成果对于火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。     

"火星探测漫游者"降落伞的研制

概述了“火星探测漫游者”探测器的降落伞系统,并介绍了降落伞系统的组成和性能,以及降落伞的研制过程的主要工作,尤其是设计人员解决和处理的一些细节问题。     

无人机前开伞式降落过程动力学建模与仿真

文章分析了某型无人机降落伞回收阶段的动力学过程,对各工作阶段的无人机和降落伞的组合体进行了数学建模,使用Matlab软件中的Simulink组件搭建了无人机伞降过程的仿真模型,按照真实飞行和回收工况进行了计算,通过仿真结果与试验数据的比较,验证了模型的正确性.     

降落伞强度空投试验模型的气动–动力学特性仿真

降落伞强度空投试验模型的气动-动力学特性仿真研究对空投试验方案设计和降落伞减速系统性能的考核至关重要。文章运用数值模拟手段分析了空投试验模型的气动特性和气动稳定性,探讨了降落伞开伞前空投试验模型的弹道轨迹和运动姿态的变化,并针对不同飞行攻角下空速管动压测试值与实际开伞动压存在相对偏差所造成的影响进行了分析。结果表明:空投试验模型的轴向力系数在攻角大于4°时有所下降。法向力系数和俯仰力矩系数随着飞行攻角增加以近似线性的方式增大,压心位置后移,气动稳定性良好。在模型投放后至降落伞开伞前的过程中,随着高度下降空投试验模型的速度以近似线性的形式增大,且俯仰角和攻角均存在周期摆动现象。由于飞行攻角的影响,空速管测得的动压值与开伞实际动压存在相对偏差,但相对偏差范围不会超过14%。研究结果可以为降落伞强度空投试验的方案设计提供参考。     

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

探月返回器降落伞减速系统设计及试验验证

针对探月返回器降落伞减速系统的任务特点,通过对返回器-降落伞系统的动力学特性分析,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统设计方案,实现了返回器开伞载荷、器伞系统稳定性等多因素的匹配性设计,通过仿真试验和空投试验验证了方案设计的合理性,最终通过月地高速再入返回任务飞行试验验证了降落伞减速系统性能的有效性。结果表明:降落伞减速系统工作性能稳定可靠,能够确保返回器的安全回收,可以保证后续月球采样返回任务的成功实施。     

降落伞特性对伞舱系统运动稳定性的影响

建立了伞舱系统刚性连接和弹性连接时的数学模型,针对联盟号飞船回收系统进行了动力学仿真。分析了降落伞侧向力系数、吊带长度、降落伞和载荷质量比以及吊带性质对伞舱系统运动稳定性的影响,其结论可为伞舱回收系统的设计提供参考。     

降落伞可靠性评定及其试验量决策

降落伞是回收着陆分系统的核心部分,其可靠度下限指标一般很高。若仅依据成败型系统级空投试验来评定该指标,需安排大量系统级空投试验,这在工程上通常难以接受。为了能够全面地反映降落伞的可靠性,本文提出了基于Bayes理论的降落伞可靠性评定方法。该方法将降落伞强度试验数据作为验前信息,采用Bayes理论将其与系统级空投试验信息融合起来,据此评定降落伞的可靠性。该方法建立在严格的理论推导之上,评估结果与工程实际情况相符,所计算的系统级空投试验量较经典方法大为降低,可大量节约试验经费和工作量。将上述方法应用于某型降落伞可靠性分析,结果表明该方法是有效可行的。     

降落伞数值模拟中的计算流体力学研究进展简介

文章介绍了降落伞数值模拟的基本思想。着重对降落伞数值模拟中的计算流体力学研究进展进行了综述，还对近年来的降落伞数值模拟应用进行了总结，突出了近两年来的发展变化。最后提出了降落伞流场的数值模拟尚需改进的若干方面。     

收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真

文章用半经验充气时间法对用于某回收器降落伞系统的收口十字形降落伞的充气过程进行了动力学建模与仿真计算,通过参照第一次某回收器飞行试验遥测数据,调整经验参数的值,对动力学模型进行修正。用修正后的动力学模型对第二次回收器飞行试验进行了仿真计算,将仿真计算结果与第二次飞行试验遥测数据的开伞动载以及运动参数进行比较,比较结果具有较好的一致性,证明了动力学模型和仿真计算程序的正确性。