无人机伞回收动力学分析

在建立无人机六自由度飞行力学模型和降落伞回收动力学模型的基础上,对无人机的整个回收过程进行仿真分析,并与飞行试验进行了比较。结果表明:本文所采用的方法较为准确地预测了整个减速伞工作阶段中的相关动力学特性。计算结果还包括了无人机与回收系统的相对运动过程,有效地预测了回收过程的危险情况,为无人机控制律和回收系统设计提供了重要参考。     

前言

我院在无人驾驶飞机的研制方面具有较长的历史,取得了较多的成果. 早在50年代末期,学院就研制成功了“南航一号”有翼拖靶,曾少量提供部队使用.此后相继研制了两种超音速靶机,积累了成果,锻炼了队伍.甚至在十年动乱期间,学院也想国家之所想,急部队之所急,在恶劣的政治、工作条件下,组织力量,先后开展了对某国外无人机的分析研究和反设计,并承接了两项国家任务,即“1015”雷达伞靶和“长空—     

变体无人机栖落机动建模与轨迹优化

对一类变体固定翼无人机栖落机动的纵向运动进行了建模与轨迹优化研究。针对栖落机动后段飞行速度低及迎角大带来的舵面气动效率下降的问题,研制了一种可改变主翼位置的变体无人机。通过室内飞行实验,利用运动捕捉系统测量获得飞行数据。依据实验数据,结合平板气动理论建立了变体无人机的气动模型,并建立了变体无人机的纵向动力学模型。采用广义伪谱优化软件(General pseudo-spectral optimization software,GPOPS),对所建立的变体无人机模型进行栖落过程轨迹优化研究。优化结果表明,与普通固定翼无人机相比,变体部件能够显著提高无人机的姿态操纵效率,从而改善无人机栖落机动性能。     

无人机气液压弹射装置的关键系统设计

无人机气液压弹射起飞是国际上一种先进的无人机发射技术。无人机气液压弹射装置是由许多关键系统组成，其中包括气液压能源系统、滑轮增速系统、滑行小车系统、卸荷控制系统、缓冲吸能系统等等，本文对几个关键系统的设计作了详细的介绍和讨论。本文的研究成果已成功应用于某型无人机系统的研制，也可为其它高速运动机械的设计提供新的思路和方法。     

可压缩弹射出伞模型及仿真

火工装置常用于降落伞的强制开伞。针对柔性降落伞织物的可压缩特性,建立了弹射筒可压缩弹射出伞模型并开展了仿真计算,仿真结果与传统刚性模型进行了对比,表明可压缩弹性模型与实验数据更吻合,具有更高的准确性。同时研究了火工药剂参数、弹射筒几何结构及伞包材料特性对弹射力、伞包拉力及弹射速度的影响,发现火工装置初始容腔增大或活塞尺寸减小均会降低弹射推力;而伞包材料弹性使伞包受力小于并滞后于顶盖受力,伞包弹性越好,包装密度越小,越有利于降低顶盖速度和伞包受力。本文的可压缩弹射出伞模型为火工装置及伞包设计提供了一种新的设计分析思路。     

带有红外源和无线电波反射器的高空伞靶(1015B伞靶)

1015B型伞靶是以我院为主研制的高空伞靶,是各类导弹进行研制试验、批生产抽检和部队训练中必备的固定型空中靶标。由于其使用方便,性能良好,荣获1985年度国家发明三等奖。 伞靶主要组成部件有壳体、无源角反射器、曳光管和降落伞系统。折叠式的大型无源角     

某高速无人机飞行事故分析:高速无人机控制失效分析及控制参数匹配

某型高亚声速无人机连续出现两起飞行事故,在基本排除了机载设备故障的原因后,针对飞行控制失效的原因展开了深入的理论分析与飞控系统仿真试验,最终确定故障原因是在大飞行动压情况下,该型无人机控制参数出现不匹配.这为该型无人机以后的正常使用提供了理论依据,也为其他高速无人机的研制和使用提供了借鉴经验.采取相应改进措施后,后续该型无人机放飞取得成功.     

某型无人机拦阻网回收系统设计

介绍了无人机拦阻网回收系统的组成和工作原理，论述了系统的网体设计、涡轮阻尼器设计以及拦阻过程计算等关键技术问题，并给出某型无人机拦阻回收系统的性能计算结果。本文的研究成果为某型无人机拦阻网回收系统的工程设计提供了理论依据，并已成功应用于某型无人机系统的研制。     

火星探测器减速着陆过程中若干问题的研究

围绕火星探测器减速着陆过程中涉及的开伞控制技术、降落伞拉直过程的绳帆现象、降落伞充气性能以及物伞系统动力学特性等关键技术问题进行了研究。通过对探测器进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的自适应开伞控制方法,并对其原理和实现方法进行了研究。采用降落伞拉直过程多刚体、多质点、多自由度动力学模型,对绳帆现象进行了数值仿真分析,发现开伞攻角是绳帆现象的主要成因,并提出了设计控制措施。采用降落伞轴向-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及开伞载荷的影响规律或特点。利用物伞系统动力学模型,研究了物伞系统减速下降过程的动力学特性。本文研究内容对于中国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。     

阻力伞附加质量与阻力系数修正方法

在阻力伞试验,特别是高速滑车试验过程中,由于阻力伞系统作非匀加速的非定常运动以及前置体尾流场的影响,现有的阻力伞试验数据计算方法已经难以准确计算其阻力系数。本文针对阻力伞试验过程中的这种非定常运动和尾流干扰特性,对阻力伞系统进行了动力学分析,并对阻力伞非定常运动过程中的附加质量和尾流场特性进行了理论研究,提出了阻力伞双质量模型,并建立了阻力伞阻力系数非定常修正和动压修正方法。在此基础上,针对某型十字形单伞和十字形双伞模型的试验结果进行了分析,确定了相应的非定常修正系数和动压修正系数,分别建立了十字形单伞和十字形双伞的阻力系数修正模型。修正模型验证结果与风洞试验和传统计算方法结果进行了对比,研究发现:对于单伞模型,本文计算方法可以使计算结果误差从原来的27%降低到9%以内;对于双伞模型,可以使计算结果误差从原来的30%降低到7%以内。基于附加质量理论分析,非定常和动压损失的阻力系数修正方法可以更准确地计算阻力伞阻力系数,从而为阻力伞试验数据分析提供了一套更准确的计算方法。     

降落伞初始充气阶段数值模拟

根据降落伞的结构和其在充气过程中的受力特性,以某平面圆形伞为原型,建立了伞衣初始充气过程中的计算流体力学与结构动力学的耦合模型.首次考虑了充气过程中折叠伞表的张开问题,建立了更接近降落伞物理模型的初始充气阶段伞表质点结构和受力方程.对流场的变化采用了准定常假设,利用simple算法数值模拟求解RNG κ-ε湍流模型下的雷诺平均N-S方程以获得每一状态伞表张开部分与折叠部分交界处质点的压差系数.把数值计算结果和试验结果及经验值比较,得到如下结论:(1)初始充气阶段伞衣外形变化为:整个阶段,伞衣展开部分外形基本保持较光滑的直筒形状,而非喇叭形.与试验结果相比,计算结果较真实地反映了初始充气阶段伞衣外形的变化情况.(2)当无因次充气时间为0.27左右时.初始充气阶段结束,伞衣投影面积随充气时间呈线性变化,计算值与实验值接近.     

Numerical Study of Parachute-Payload Land Site Distribution with Randomize Wind Gust Model

A parachute-payload model with randomize wind gust is developed to study the landing accuracy of the parachute decelerator system,which can be exactly described by the landing site distribution.The research focuses on the steady descent phase of the parachute descent process,so the parachute and the payload suspension formulation during the phase are mainly discussed.In addition,since the wind effects have a significant impact on the land site distribution of the passive decelerator system and it is difficult to obtain the exact wind profile in practice,major features of parachute-payload system are studied via the randomized wind gust formulation.As the randomized wind gust formulation is adopted,the wind effect can be considered without the exact wind gust profile and the parachute aerodynamic simulation can be fulfilled with uncertainties.Finally,the model is validated and discussed,and the parachute land site distributions with different wind randomize profiles are presented for comparison.The results show that when parachute is less stable,the land site tends to have a larger variance.     

伞-载系统拉直过程动力学仿真研究进展

降落伞拉直过程是关系到伞-载系统安全可靠工作的关键阶段,涉及到三维空间多体系统动力学和变质量变自由度动力学问题。本文综述了柔性降落伞拉出过程动力学仿真技术中的一些关键问题。首先从拉直过程仿真方法进行介绍,通过具体算例分析了各自方法的特点。然后构建了动力学模型中主要因素之间的相互关系,分析了气动力的影响因素及风速对拉出过程的影响。同时阐述了绳段张力的几种计算模型及其特点,指出了它们的一般应用范围。最后,对伞-载系统拉直过程仿真减小数值计算误差的途径及未来需要关注的几个方面进行了探讨。     

一种改进的降落伞动力学模型

为更准确地模拟降落伞动力学特性,根据质点系动量定理和动量矩定理推导出一种改进的降落伞动力学模型。基于该模型对某十字型伞开展了稳降阶段的编程计算,获得了降落伞和载荷体的速度及姿态角的变化情况,数值计算结果和空投试验结果有很好的一致性。该模型易于编程,相较于传统模型能得到更准确的降落伞速度和姿态角的振荡频率,是传统降落伞动力学模型的有益补充。     

Numerical Simulation of ATPS Parachute Transient Dynamics Using Fluid-Structure Interaction Method

In order to simulate and analyze the dynamic characteristics of the parachute from advanced tactical parachute system(ATPS),a nonlinear finite element algorithm and a preconditioning finite volume method are employed and developed to construct three dimensional parachute fluid-structure interaction(FSI)model.Parachute fabric material is represented by membrane-cable elements,and geometrical nonlinear algorithm is employed with wrinkling technique embedded to simulate the large deformations of parachute structure by applying the NewtonRaphson iteration method.On the other hand,the time-dependent flow surrounding parachute canopy is simulated using preconditioned lower-upper symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)method.The pseudo solid dynamic mesh algorithm is employed to update the flow-field mesh based on the complex and arbitrary motion of parachute canopy.Due to the large amount of computation during the FSI simulation,massage passing interface(MPI)parallel computation technique is used for all those three modules to improve the performance of the FSI code.The FSI method is tested to simulate one kind of ATPS parachutes to predict the parachute configuration and anticipate the parachute descent speeds.The comparison of results between the proposed method and those in literatures demonstrates the method to be a useful tool for parachute designers.     

跨音速非定常测压实验技术

本文描述了在 FL-1风洞中,对 NACA0012翼型进行的非定常跨音速压力测量实验。实验目的是研究在跨音速风洞中二元机翼非定常压力测量的实验技术问题,包括实验装置的设计、数据采集和处理等。并初步研究了 M 数、攻角、振幅和频率等参数对非定常压力分布的影响。     

Ejection Separation Characteristic Analysis of Parachute Container Cover from Return Capsule for Lunar Exploration

The parachute container cover ejection separation is the first and foremost motion for the return capsule recovery system, which is related to the success of a recovery system. Adopting the computational fluid dynamics （CFD） simulation and flight dynamics coupling method, the parachute container cover ejection separation is simu lated. The rationality of the ejection separation speed and dynamic characteristics of the separation process is ana- lyzed. Meanwhile, the influences of angle of attack, Mach number and ejection separation speed on the parachute container cover ejection are also investigated. Results show that the ejection separation speed design is reasonable. It has a certain design margin for parachute container cover to escape from the wake region, and to pull out the drag parachute completely. The results may provide a theoretical basis for recovery system engineering design of the lunar exploration project.     

求解装箱问题的遗传算法

本文提出了两种求解装箱问题（ＢｉｎＰａｃｋｉｎｇ）的遗传算法。一种是简单遗传算法,它采用等长度字符代码编码方法,使用常规的遗传操作算子。另一种是混合遗传算法,它综合运用解装箱问题的ＦＦＤ（ＦｉｒｓｔＦｉｔＤｅ－ｃｒｅａｓｉｎｇ）近似算法和简单遗传算法。试算结果表明,由这两种遗传算法所得到的装箱方案较一些近似算法所得到的装箱方案都要好。     

无人机回收气囊缓冲特性研究

用缓冲气囊的缓冲特性对无人机伞降气囊回收方式进行了研究，并以单个气囊为对象，分析了影响缓冲性能的主要因素，认为质量体积比ｍ ／ｖｉ 和排气口面积 Ａｎ 是决定缓冲效果的主要因素。在理论分析的基础上给出了质量体积比ｍ ／ｖｉ 的最优值，同时建立了排气口分析模型，推导出计算排气口面积的公式，实践证明其结果是正确的，对工程应用具有特别重要的意义。