环帆伞稳态气动性能研究

<正>降落伞由于具有结构简单、成本较低、减速性能优越和工作可靠性高的特点,被广泛应用于各类有效载荷回收过程中,也是载人飞船回收着陆系统的主要组成部分。环帆伞由于具有充气性能好,开伞动载小,阻力系数大,稳定性好,抗损伤能力强,被广泛应用于航天器的回收着陆中。在回收着陆过程中,降落伞的气动性能对载人飞船的空间运动形式以及最终着陆过程中的速度、姿态有着非常重要的影响。国内外对环帆伞进行了广泛的研究,从理论分析、试     

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

随着载荷重量的增加，单伞已无法满足大重量返回舱的安全着陆要求，群伞系统获得关注并成功应用。然而，伞间干扰等问题仍困扰着群伞的设计，新一代载人飞船已经考虑从透气性角度对此进行解决。同时，鉴于群伞开伞过程仿真难度较大，在不改变伞衣构型设计的前提下，采用流固耦合（FSI）方法针对单伞开展不同透气性的环帆伞开伞过程数值模拟，旨在研究开“窗”结构对环帆伞气动性能的影响。结果表明：开“窗”结构对环帆伞开伞过程中的外形变化有较小影响，开“窗”前后的伞衣投影面积与名义面积比变化最大不超过15%；对于不同的开“窗”位置和数量，平衡平均阻力系数、开伞动载系数及阻力系数波动三者的最佳选择为帆5位置和25%数量；采用开“窗”结构后的环帆伞最大摆角至少减小5°，且减小幅度随着开“窗”数量的增加而增大，但与开“窗”位置之间并无明显规律。     

环片数量对环帆伞气动性能的影响

为探究环片数量对环帆伞气动性能的影响,文章基于 CFD方法对某环帆伞流场开展了定常三维数值模拟,采用有限体积法求解不可压缩 Navier-Stokes控制方程来模拟外部流场,获得了该伞的气动参数与绕流流场分布。通过数值结果与空投试验结果对比,验证了数值方法的准确性。在不改变伞衣名义面积和环帆高度比的前提下,分别针对定结构透气量和变结构透气量开展了环片数量对气动性能的影响研究,结果表明:定结构透气性下,环片数量对伞衣阻力性能和气动静稳定性的影响很小;变结构透气性下,环片数量通过影响透气量、尾涡分布等因素进一步影响环帆伞稳定性。上述结果对环帆伞的设计有一定参考意义。     

基于伞载多体动力学的降落伞开伞过程研究

针对降落伞开伞过程中柔性大变形、强非线性和强耦合性的特点,采用伞载多体动力学方法,以充气时间为自变量,分别建立拉直、充气和稳降3个阶段的动力学模型。对降落伞开伞过程中物伞系统运动学和动力学进行数值分析,研究降落伞开伞过程,通过某型号降落伞飞行试验验证,表明：基于多体动力学的降落伞开伞过程计算简单方便,能够快速指导降落伞的设计迭代,计算结果可以很好地体现降落伞的开伞特性。     

民机弹射降落伞离机充气过程和安全分析

当降落伞牵引小质量负荷(应急数据记录系统)从大型民用飞机机身下方弹射离机时,不同于弹体等刚性物体,柔性伞衣充气过程中剐蹭机身等安全隐患更大.为了研究弹射降落伞离机充气过程气动特性和运动轨迹,采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary?Lagrange?Euler,?ALE)方法,对不同来流速度和角度条件下的降落伞开伞过...     

锥形降落伞开伞过程流动结构相互作用的数值模拟

根据多结点开伞模型建立了锥形降落伞系统的变形动力学方程组来对充气过程中的伞衣柔性体变形过程进行模拟.结合多结点模型动力学方程结算代码和计算流体力学软件,对降落伞的充气过程进行流固耦合动态仿真,从而得到充气过程中伞衣外形和流场的变化,以及充气时间、下降速度变化和下降距离等相关数据,与国外研究成果相吻合.      

充气式气动减速器气动特性数值分析

<正>根据"中国火星探测计划"的任务规划,我国预计将在2020年实现火星着陆巡视。要想顺利实现火星探测器的软着陆,精准地掌控从进入大气到着陆的EDL过程至关重要。EDL过程通常分为气动减速、降落伞减速、动力减速和着陆缓冲4个阶段~([1])。在载人飞船返回再入过程中,返回舱的大钝角锥形结构与大气层中的气体介质作用可产生与运动方向相反的气动阻力,以实现从地球再入速度至开伞速度的转变,此即为气动减速阶段~([2]),该阶段所完成的减速约占整个EDL减速过程的     

涡环旋转伞系统减速导旋效率研究

为了解涡环旋转伞的减速导旋特性,提高旋转伞系统的减速导旋效率,以满足某些载物工作状态对转速、落速的苛刻需求,设计一种由涡环旋转伞和圆形减速伞构成的组合伞系统。制作单伞系统和组合伞系统的试验模型,分别进行伞塔试验。基于伞塔试验的高速摄影和图像处理技术,提取伞物系统的弹道数据点,结合弹道模型,用最小二乘法拟合时间弹道数据,得到单伞系统和组合伞系统的极限速度和阻力特征。基于姿态存储测量法,获得伞物系统的转速变化规律。对单伞系统和组合伞系统的弹道规律及减速导旋效率等数据进行对比分析,提出可有效提高旋转伞系统转速落速比的方法。结果表明:对高速录像进行图像处理可简单快速有效地提取伞物系统的极限速度和阻力特征;单具涡环旋转伞可提供更大扭矩,使载物旋转加速度更大,其导旋效率高;组合伞可提供更大阻力,使载物极限落速更低,其减速效率高;组合伞系统的转速落速比更大,整体性能优于单伞系统。     

气动减速系统阻力伞锁机构可靠性分析

气动减速系统是保证飞机正常飞行的关键，如何高效、可靠地实现阻力伞锁机构的打开是影响气动减速系统的关键。本文以气动减速系统阻力伞锁机构为研究对象，通过对阻力伞锁机构运动特性的分析建立了刚柔耦合仿真模型并开展动力学仿真。针对其复杂的工作特点，提出了阻力伞锁机构卡滞与精度失效两种关键失效模式。针对关键失效模式分别建立了可靠性分析模型，采用AK-MCS法计算阻力伞锁机构可靠性。通过本文研究，得到了阻力伞锁机构在不确定性环境下可靠性水平，可以为今后阻力伞锁可靠性设计提供参考依据。     

阻力伞及气囊气动特性风洞试验技术研究

对阻力伞、气囊等柔性减速器进行了风洞试验研究。采用高速摄像清晰地记录了阻力伞在M=1．0条件下的开伞过程、气囊在M=6．0条件下充气过程的外形变化，准确地测得了气囊在M=6．0条件下充气过程的阻力时间历程，且气囊充气过程外形变化的时间历程与阻力时间历程相符。此外，对阻力伞高速风洞试验的堵塞度影响进行了研究。结果表明，通过研究，为柔性减速器的气动特性测试建立了新的试验技术。     

有限质量情况下降落伞开伞过程数值仿真研究(英文)

为了模拟降落伞减速系统在有限质量情况下的三维动态开伞过程,以典型平面圆形伞C9伞为例,采用LS-DYNA基于有限元理论的ALE流固耦合方法对其充气至稳降过程进行研究,并用空投试验验证计算结果。计算获得了结构、流场动态变化,还获得了反映减速特性的载荷速度、加速度变化情况,分析了降落伞工作过程中危险截面、过载及外形之间的对应关系。研究结果表明:ALE法能够预测伞衣展开过程中减速特性以及危险截面,数值结果反映了实际工作过程的一般规律。     

凹半球降落伞模型起动载荷的研究

 在用氢泡法观测凹半球降落伞模型的流场时,我们还用单分力应变天平对其进行了阻力测量。通过测量及理论分析,得出加速起动期间最大阻力F_(max)和附加质量引起的力F_a之比与无量纲参数U_(max)~2/ad之间的关系。此外,还研究了与最大阻力有联系的一些流动现象。该试验有助于深入了解降落伞的动稳定性与开伞动载方面的内在联系。     

十字伞伞群的多节点静力学模型动力特性计算

为计算某型救灾专用空投系统十字伞伞群的气动特性,建立了多节点静力学模型来计算伞衣充满时的气动外形;对不同臂长比和伞绳比的十字伞进行数值模拟,并与文献中风洞实验结果对比验证;根据建立的模型得到十字伞伞群的气动外形并进行气动力特性研究.结果表明:计算结果和文献结果一致性较好,建立的多节点静力学模型合理可行;十字伞轴向力随臂长比和伞绳比的增大而增大;随攻角增大轴向力先减小后增大,而法向力则增大.建立的模型可用于伞群的气动外形计算,并为降落伞系统的设计提供参考.      

不同透气情况降落伞的流场试验研究

降落伞由于其柔软透气性,其流场测量非常困难,而流场特性直接关系到降落伞的气动性能.本文采用风洞设备,利用七孔探针对不同透气情况下的降落伞的绕流流场进行了试验测量.采用Labview和Matlab engine混合编程技术进行七孔探针的压力数据采集和实时数据处理,获得了不同透气情况下伞衣周围的速度及压力分布情况,并对其进行了详细的流场分析.通过对不同透气伞流场的比较,可知透气情况对伞衣前后静压大小、尾流流线汇集位置、稳定性及噪音均有一定的影响.本文的研究解决了绕伞衣流场定量测量的难题,同时为降落伞的气动性能分析提供了一个很好的技术方案.     

几种再入飞行器回收方案气动特性的评述

本文对再入飞行器几种回收方案的气动特性进行了分析和比较。这些方案包括后抛质量加降落伞方案,侧抛质量-阻力锥加降落伞方案,拖曳装置加降落伞办案,阻力板加降落伞方案,后抛质量-阻力板加降落伞方案。重点叙述这些方案的绕流特点、风洞试验和工程计算的结果。在这基础上,对这些方案进行了弹道分析和性能比较,并对方案选择和今后工作提出了建议。     

阻力伞高原气动力增大机理与控制方法研究及验证

针对飞机高原着陆释放阻力伞气动力增大机理与控制方法开展了研究与验证。首先,分析了阻力伞高/平原开伞动载情况。然后,对阻力伞高/平原拉直力进行了研究,理论推导出开伞过程中拉直力随海拔高度增加而增大;通过试验现象研究指出采用先拉伞衣法,拉直过程中主伞衣不加约束控制的随机充气,在提前充气阻力特征达到一定条件下,拉直力的数值会超过开伞动载,并分别在平原地区进行了调研取证和高原地区专项试验验证。最后,针对高原试验中阻力伞轴颈断裂问题,提出了加装伞衣套约束主伞衣提前充气控制拉直力增大的方法,并进行了试验验证。研究成果表明,对阻力伞高原开伞过程气动力增大机理与控制方法的研究及验证的结果是一致的,措施是有效的。     

折叠式群伞充气接触的膜索非线性有限元算法

降落伞由折叠到打开的充气过程和多束降落伞捆绑在一起充气的过程都伴随着一个高度非线性的柔性结构接触问题,因此模拟降落伞群伞流固耦合问题必须首先解决降落伞群伞非线性结构接触的数值模拟问题。对于降落伞这类柔性瞬变非线性织物结构,数值模拟织物系统的接触现象以及预测接触结果对降落伞工作状况的影响对于降落伞群伞设计具有很重要的指导意义。基于三维降落伞膜索非线性有限元编程模拟技术设计了一种针对单伞和群伞非线性动力系统的接触搜索算法,推导设计了针对接触随机性的接触切线刚度矩阵计算方法。针对降落伞群伞非线性有限元计算的庞大数值计算量,设计编写了一种基于消息传递接口(MPI)通信协议的膜索结构并行接触模拟FORTRAN程序,测试了该数值模拟程序的并行计算效率。针对高度折叠的C-9降落伞群伞充气问题,使用PC-Cluster计算机群进行了数值仿真模拟,验证了该接触非线性有限元程序的计算效果,预测了C-9降落伞群伞的接触过程,并分析接触现象对降落伞群伞充气工作的影响。     

速度对火星用盘缝带伞超声速开伞性能影响

基于LS-DYNA软件中的时－空守恒元／解元算法（即CE／SE算法）对降落伞在火星大气环境下的超声速开伞性能进行研究。通过数值仿真探讨来流速度对其性能的影响,为火星用盘缝带伞的设计提供参考。通过对各马赫数下伞衣的外形、投影面积、阻力系数和伞衣表面应力的情况进行比较,得出以下结论：随着来流速度的增加,降落伞的投影面积先增大后减小,在1．6马赫左右最大;阻力系数随着来流速度的增加也先增大后减小;伞衣表面应力在伞衣带和伞衣盘的中部区域最大,随着来流速度的增加,表面的最大应力值也逐渐增大。最后,研究了伞绳长度对降落伞性能的影响。     

基于拉格朗日力学的伞-弹系统动力学模型

为了回避牛顿力学体系在多体动力学建模过程中存在的复杂约束力求解问题,以拉格朗日力学体系为基础,从分析力学的角度出发,建立了铅垂平面内降落伞-弹系统五自由度动力学模型。详细介绍了拉格朗日力学体系动力学建模过程,推导了铅垂平面内伞-弹系统动能公式,解决了伞-弹系统广义力求解问题,给出了伞-弹所受空气动力的广义力表示。算例将建立的伞-弹系统模型和牛顿力学体系下简化的伞-弹模型进行对比,两种模型计算结果吻合,验证了本文模型的正确性。降落伞-弹系统动力学模型验证了拉格朗日力学在常规飞行器动力学建模中的可行性,为使用ADAMS等基于拉格朗日力学思想建模的商业软件进行伞-弹系统动力学求解提供理论依据,可以用于指导伞-弹系统的分析和设计。     

降落伞典型开伞过程的试验研究

以伞衣负荷比值为标准选择了两类伞型,在典型的有限和无限质量条件下进行了风洞和空投试验开伞过程的研究.探讨了开伞过程中伞衣形状变化与伞衣承受开伞动载之间的关系及其影响因素,比较并分析了两种状态下不同试验手段得出的试验结果的差别,总结了各自的特点,并得出了关于两种降落伞性能试验的结论.