新飞船试验船气囊着陆缓冲系统特性研究

缓冲气囊是继着陆腿及反推发动机之外,另一种行之有效的着陆缓冲装置。新一代载人飞船采用群伞加缓冲气囊的无损回收方案,实现了其重复使用的目的。文章对新飞船试验船缓冲气囊的选型及参数的确定原则进行了分析,介绍了气囊着陆缓冲系统的设计状态、工作程序以及缓冲过程的排气控制策略。通过建立地面试验装置和测量系统,对缓冲气囊的性能进行了验证。结果表明:具备主动排气控制的多气室组合式气囊着陆缓冲系统缓冲过载达到预期,无侧翻和明显反弹,着陆稳定性满足要求。试验船缓冲气囊的设计理念和设计方法可以为其它大载荷航天器和大载荷空投着陆缓冲气囊的设计提供依据和参考。     

某型无人机回收气囊缓冲性能试验研究

针对某型无人机全时段、全地形无损回收的要求,文章选用缓冲气囊的方式进行着陆回收。在前期理论研究及仿真分析基础上,通过搭建的试验平台系统对设计气囊进行投放试验,对影响气囊缓冲性能的着陆速度、排气口面积等因素进行分析,同时探究了不同地面条件对于气囊缓冲性能的影响。试验结果表明,气囊的内压峰值及最大过载与着陆速度成正比;根据仿真计算结果,选择了三组不同排气口径的气囊进行试验,并进行了分析。对于试验所选择的三组气囊,排气口直径80mm缓冲效果最好;不同地面环境对于气囊缓冲性能有一定影响,其影响程度取决于地面的力学特性,同样条件下较为松软的地面气囊缓冲性能更优。     

火星全向气囊的着陆缓冲特性研究

全向气囊是一种适应性较强的着陆缓冲装置,能在火星着陆过程中有效保护着陆器的安全。文章针对某一种全向气囊与着陆器构型方案,首先建立了气囊和着陆器结构的数学有限元模型,并对全向气囊的着陆缓冲过程进行了动力学仿真,获取重要结构部位的缓冲过载。其次利用全向气囊原理样机,按照仿真时的工况进行了投放试验,测量了相应结构部位的缓冲过载。研究结果表明,理论分析与试验结果基本一致,可为将来火星全向气囊的工程应用研究提供一定的参考。     

基于主动排气气囊的着陆缓冲控制系统FPGA设计

主动排气气囊能够保证航天器着陆的稳定性,为了能够精准的控制多气囊差异式排气,文章介绍了一种能够实现该控制功能的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)软件系统,其运行于XQR2V1000-4BG575R FPGA上,能够实现对AD采样芯片TLC2543进行驱动和控制、多通道过载数据采集,基于串行滤波器的数据处理、分布式过载判断控制气囊排气等功能。该系统基于FPGA高速多任务并行处理与调度、实时处理多通道数据采集运算,解决了快速响应着陆缓冲控制问题,使着陆缓冲系统能够精确按照舱体实时过载进行差异式主动排气控制,以保证系统工作可靠性和航天器着陆稳定性。该设计通过了系统和专项试验验证,表明了基于主动排气气囊的着陆缓冲控制系统FPGA设计能够保证航天器以规定速度和过载安全着陆地面。     

可重复使用新型着陆缓冲装置设计

着陆缓冲技术应用于各类飞行器着陆时吸收机械能,降低着陆冲击过载,最终使飞行器以一定的着陆姿态安全地着陆在星表。随着载人深空探测任务的深入,引发了一次任务多次着陆的需求,进而对着陆缓冲提出了的可重复使用的新要求。由此开展了一种新型油气式的可重复使用着陆缓冲装置研究,该装置可以兼顾地外天体着陆和地球返回着陆需求。文章首先详细介绍了该设计的组成及工作原理;随后分析了缓冲机理,对缓冲力的组成及计算表达进行了详细说明;基于多体动力学软件建立了多刚体系统动力学模型,在此基础上开展了5种典型工况的仿真分析和计算。经过计算,最大缓冲行程不大于0.3m,最大加速度过载不大于8gn,能够承受1m/s的水平速度。综上,该载人飞船着陆缓冲装置能够满足多次着陆缓冲及过载等要求,相关设计可以作为新一代载人飞船着陆缓冲设计的参考。     

航天器着陆缓冲气囊技术发展

文章简述了航天器着陆缓冲气囊的吸能工作机理,介绍了它的优点和局限性,结合数十年来缓冲气囊在航天器上的主要应用情况,归纳了着陆缓冲气囊的三种类型,包括排气式、密闭式和组合式,其中排气式气囊由被动排气发展为主动精确可控排气,并介绍了缓冲气囊的几种拓展应用方向。针对航天器缓冲气囊技术的发展,文章对可靠充气技术、高性能气囊材料及结构成型技术、基于缓冲特性仿真的优化设计技术、缓冲过程精确控制技术以及大载重气囊试验技术等关键技术进行了论述。可以预见,航天器着陆缓冲气囊技术的深入研究对于载人航天、深空探测的发展将发挥更加重要的作用。     

气体参数对气囊缓冲特性的影响分析

缓冲气囊具有系统简单、质量轻、贮存体积小等优点,在航天器的返回回收与探测器的着陆缓冲中有较广泛的应用。美国的＂探路者＂、＂机遇号＂和＂勇气号＂火星探测器都采用了缓冲气囊系统作为其着陆缓冲装置。文章通过流体力学和热力学的理论推导,提出了可能会对气囊的着陆缓冲过程产生影响的气体参数,通过MSC Dytran软件仿真计算了不同气体参数下球形火星着陆缓冲气囊的缓冲过程,并分析了各参数对气囊缓冲特性的影响。研究结果可以为后续的气囊设计及试验提供帮助,并为中国下一步开展火星着陆探测任务提供一定的参考。     

气囊着陆缓冲系统的排气孔面积优化

文章以仿真分析为手段,研究了排气式气囊缓冲系统的着陆回收问题;讨论了均匀压力气囊模型的基本理论;建立了排气式气囊着陆缓冲系统的简化分析模型,包括回收舱模型和排气式气囊模型。采用响应面法得到了排气孔面积与回收舱重心处过载的关系,并通过仿真分析确认了优化分析结果的有效性。     

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。     

骨架充气压力对自充式气囊缓冲性能影响研究

缓冲气囊作为一种着陆缓冲手段,具有质量轻,折叠性能好,成本低等优势,成为了回收着陆领域的重点研究方向。自充式缓冲气囊是一种利用环境气体作为缓冲介质的缓冲气囊,其主要依靠骨架式充气结构作为缓冲气囊展开的驱动。通过这种设计,可以有效减少缓冲气囊充气装置的携气量,拓展缓冲气囊的应用范围。文章对自充式缓冲气囊的工作原理进行了介绍,并对自充式缓冲气囊的缓冲过程进行了仿真研究。研究过程主要针对骨架式充气结构充气压力对气囊缓冲性能的影响进行了分析,并对其充气压力进行了优化选择。研究结果表明,对骨架式充气结构的充气压力进行优化,可以改善自充式缓冲气囊的性能。最后,引用相关试验结果,对优化结果后的充气展开性能进行了佐证。     

可重复使用运载器的耐坠毁缓冲装置的设计优化

针对采用四腿式着陆支架的可重复使用运载器，提出一种油气-蜂窝两级缓冲的新型耐坠毁缓冲装置，常规油气缓冲器实现重复使用，危险工况下蜂窝缓冲器实现耐坠毁功能。建立了运载器着陆动力学模型，给出了运载器着陆的四种极限工况及铝蜂窝压溃载荷的求解方法，基于径向基(RBF)代理模型，采用多学科协同优化方法，对多工况下运载器两级缓冲装置设计参数进行了优化。结果表明，多学科协同优化方法有着较好的准确性，优化后运载器的最大过载和缓冲支柱载荷峰值均得到降低。最后，对比了单独油气缓冲器与两级耐坠毁缓冲装置下运载器的着陆响应，结果表明，使用两级耐坠毁缓冲装置在降低运载器最大着陆过载和缓冲支柱载荷峰值上有着较为明显的优势。     

自落式缓冲气囊仿真研究

缓冲气囊被广泛应用于武器装备及物资空投、航天器着陆回收、汽车安全气囊等领域。设计具有优良缓冲性能的气囊系统可以减小物品或乘员所受的冲击力,最大程度上避免了物资的损坏和乘员伤亡。文章以某型空投缓冲系统所用气囊作为研究对象,运用LS-DYNA有限元仿真软件,采用控制体积法对该气囊缓冲过程进行了数值模拟计算,同时,结合工程计算与试验测试,合理确定气囊设计中关键技术状态,获得了带有辅囊的自落式缓冲气囊设计思路与方法,提高了研制品质,节省了研制成本与周期。     

返回器着陆缓冲技术途径综述

返回器在着陆或着水瞬间将受到一定的冲击载荷,为了保护宇航员及器上产品的安全,返回器需要具备着陆缓冲能力。文章对返回器当前主流的着陆缓冲方式进行了分析和比较,包括主结构着陆缓冲、海面溅落式缓冲、气囊式着陆缓冲、反推发动机着陆缓冲等,并对月地高速再入返回飞行器、MPCV和CST-100等典型返回器的着陆缓冲设计及验证进行了分析;另外,还对着陆腿式着陆缓冲、反向重构式着陆缓冲、充气隔热罩着陆缓冲等返回器新型着陆缓冲方式进行了详细介绍。对返回器的各种着陆缓冲方式进行了分析、归纳和比较,并根据分析结果给出了返回器着陆缓冲途径研究的启示与建议。     

排气式气囊最大过载特性研究

文章通过对排气式气囊进行数学建模,研究了排气式气囊的整个缓冲过程。并通过对模型的分析和对圆柱形排气式气囊的仿真计算,得到了圆柱形排气式气囊的尺寸、初始参数等因素与最大过载之间的关系。仿真结果对数学模型进行了很好的验证,可以为后续气囊的设计试验提供帮助,并为中国下一步开展月球及火星着陆探测等深空探测任务提供一定的参考。     

新一代载人飞船返回舱着陆缓冲过程仿真研究

为了研究新一代载人飞船返回舱采用的组合式气囊的缓冲特性,文章采用控制体积法建立组合式气囊系统的有限元模型,运用显式有限元方法模拟返回舱着陆缓冲过程,通过返回舱–气囊系统跌落试验结果与仿真计算结果的对比,验证该有限元模型的可信性。结果表明,文章采用的方法可以有效模拟返回舱–气囊系统的缓冲过程,组合式气囊能够对返回舱起到较好的缓冲作用,有效降低了返回舱硬着陆的可能性。研究结果可为新型缓冲气囊系统的设计和改进优化提供理论及技术参考。     

载人登月月面软着陆缓冲装置设计与分析

文章介绍了一种载人登月着陆缓冲装置的设计原理,并对缓冲装置的构型和缓冲器的选择进行了分析;基于ADAMS软件建立了缓冲结构动力学模型,进行了多个工况的着陆冲击仿真计算,通过仿真分析验证了设计的合理性。结合设计和仿真分析结果,实现了载人登月月面着陆缓冲装置全尺寸原理样机的研制,该着陆缓冲装置的设计思想及经验可作为相关设计的参考。     

基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

为保证系留气球平台在空投着陆中的安全,必须对其中的压力气瓶进行缓冲分析与实验。文章采用蜂窝纸板作为气瓶缓冲材料,采用LS-DYNA软件,并依据蜂窝纸板实际参数处理材料模型,仿真分析了在不同蜂窝纸板厚度、不同跌落速度和不同着陆姿态下的缓冲过程。根据仿真结果,设计了蜂窝纸板缓冲结构和加速度检测模块,采用吊车起吊跌落进行了实验验证。仿真分析和实验结果均表明,蜂窝纸板厚度为500mm,跌落速度低于10m/s时,气瓶缓冲后加速度低于20gn,可满足空投着陆应用要求。文章基于LS-DYNA的蜂窝纸板缓冲有限元分析是可行的,研究结果对于气瓶类装备的着陆缓冲结构设计有参考价值。     

气囊着陆缓冲系统的冲击动力学多目标优化

文章以数值仿真为手段,研究了气囊缓冲登陆系统的冲击动力学多目标优化问题。首先,以类似于"猎兔犬"着陆缓冲系统为对象,确立了以囊内初始气压与收缩绳刚度为设计变量,以缓冲系统的首次冲击最大过载和囊体织物最大应力为目标函数的多目标优化问题。随后基于D最优试验设计,采用移动最小二乘(Moving Least Square,MLS)构建了各个目标函数的代理模型,并对目标函数随设计变量的变化规律进行了探讨。最后,采用遗传算法完成了缓冲系统的冲击性能优化,并给出设计空间中关于最大过载与织物最大应力的Pareto前沿。研究结果表明,MLS模型优化算法十分适用于解决非线性程度较高的冲击动力学优化问题,并且在替代真实模型仿真计算时不仅具有较高的近似精度而且具有高速的分析效率。     

索式火箭回收着陆系统缓冲装置设计与分析

针对索式火箭回收着陆系统中摩擦缓冲装置的缓冲能力和调节能力有限的问题,提出了一种基于最小二乘法和系统动力学特性的液压缓冲装置反问题设计方法。该方法通过对液压缓冲装置中控制阀凸轮外形和储能器初始压强的设计来调节着陆火箭运动学特性,使火箭按照特定的运动学特性在有限的缓冲位移内减速至静止稳定且缓冲加速度最小。对索式火箭回收着陆系统建立精准高效的多体动力学模型,并针对不同的工况进行仿真校验。仿真结果表明根据所提反问题设计方法设计的索式火箭回收着陆系统能够按照特定的运动学特性减速缓冲着陆火箭,具有较强的减速缓冲能力；针对不同质量和着陆位置偏差的着陆火箭,具有自动调整液压阻力保持火箭相同的运动学特性的能力。     

仿猫月球着陆缓冲机构设计与缓冲特性研究

针对现有被动式铝蜂窝月球着陆器缓冲力波动大、无法重复使用的问题,提出一种基于磁流变缓冲器的仿猫月球着陆缓冲机构。首先,开展了不同高度平台的家猫跳落实验,对其跳落着陆姿态与前/后腿触地冲量进行了分析,探究其缓冲吸能机理;实验结果表明猫后腿的缓冲吸能占比更高。其次,结合猫跳落实验与中国嫦娥系列月球着陆器参数,设计了一种新构型仿猫着陆缓冲机构,并将其与嫦娥着陆器进行了仿真分析对比。结果表明,所提出的仿猫月球着陆缓冲机构,其机体最大加速度降低了18.3%,具有更为出色的着陆性能。其前腿缓冲吸能贡献约为40%,后腿的缓冲贡献度约为60%,与家猫高台跳落实验结果基本吻合,验证了仿猫月球着陆缓冲机构设计方案的合理性。