攻角对火星降落伞拉直过程的影响分析

为了研究火星探测器减速着陆系统降落伞开伞前进入舱攻角的大小对伞拉直过程的影响,设计相应的控制措施,文章以"海盗号"火星探测器为研究对象,建立了基于质量阻尼弹簧模型的降落伞拉直过程动力学模型,研究了进入舱不同攻角下降落伞的拉直过程,重点研究了攻角与"绳帆"现象之间的关系。结果表明,火星环境下开伞前进入舱攻角越大,拉直过程中的"绳帆"现象越严重。因此,减小开伞前进入舱的攻角,将有利于避免或降低"绳帆"现象的发生。这一研究结论可为火星探测减速着陆系统的设计提供一定参考。     

开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响分析

火星探测器降落伞开伞前进入舱攻角(开伞攻角)会对舱伞系统的运动特性产生怎样的影响,是火星探测器减速着陆系统设计时必须搞清楚的问题。针对这一问题,文章以"火星探路者"为研究对象,将降落伞和进入舱分别视为6自由度刚体,建立了降落伞-进入舱以及中间弹性约束的两体12自由度动力学模型,研究了开伞攻角对火星探测器舱伞系统运动特性的影响。研究结果表明,开伞攻角越大,进入舱下降得越慢,开伞攻角对进入舱速度的影响主要体现在开伞后的前30s内;开伞攻角每增大10°,系统约产生600m的高度损失,开伞攻角的大小会对舱伞系统下降过程中的工作时序产生一定影响;开伞攻角越大,舱伞系统姿态越不稳定,姿态变化越剧烈。研究结论可为中国火星探测器降落伞减速系统的设计提供一定参考。     

火星环境下降落伞拉直过程的动力学建模

文章在简要介绍火星探测器的物伞系统组成以及火星探测器降落伞拉直过程的基础上,根据拉直过程中各物体的运动属性,建立了火星探测器降落伞拉直过程的三维动力学模型。模型将伞包视为变质量六自由度刚体,进入器视为六自由度刚体,伞绳/伞衣采用质量阻尼弹簧模型,即将伞衣、伞绳、连接绳以及吊带离散成若干绳段,每个绳段处理为质量集中在端点的三自由度质点,各质点之间以阻尼弹簧相连。利用所提出的动力学模型对“海盗号”第一次气球发射试验进行了仿真,并与Moog R.D.的仿真计算结果和试验数据进行了对比,验证了该文数学模型的正确性与有效性。     

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...     

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。     

系绳力对降落伞拉直过程的影响

文章采用多刚体模型研究了伞绳的系力对降落伞拉直过程的影响。在物伞系统的动力学模型中将引导伞、伞包、伞绳及回收物处理为开链式多刚体,提出了n阶的递推算法来求解绳段间的约束力。利用该模型研究了伞绳的系力对物伞系统运动的影响。仿真结果表明伞绳的系力是影响伞包角加速度的关键因素。     

降落伞最小弹射分离速度的计算方法

作为气动减速装置的多级或单级降落伞系统,一般利用火工作动装置实现第一级或者单级降落伞的弹射分离,但必须确保足够的弹射分离速度才能为降落伞的充气张满创造好条件,以确保随后降落伞系统依次完成设定的工作程序。此降落伞最小弹射分离速度是降落伞系统设计的关键参数之一。文章针对降落伞弹射拉直过程的一般特点,基于一定的合理假设,介绍了两类降落伞弹射拉直过程的基本动力学模型,分别为二维平面简化模型及三维弹簧阻尼模型。利用二维平面简化模型可得出降落伞最小弹射分离速度的计算公式,利用三维弹簧阻尼模型可以进一步详细分析弹射分离速度的影响。文章给出了利用此两类模型的一个应用算例,用于对某火星进入器的单级降落伞所需弹射分离速度进行分析。基于文章的动力学模型可以对降落伞的拉直过程进行计算分析,并确定降落伞的最小弹射分离速度,从而为降落伞系统的方案设计提供参考。     

降落伞“呼吸”现象研究

文章详细地描述了降落伞"呼吸"现象,首次使用降落伞充气过程中的简化轴向和径向动量方程来计算降落伞"呼吸"过程。在此基础上,分别比较有限质量充气条件下开伞速度、载荷物质量、大气密度、降落伞伞绳弹性系数对降落伞"呼吸"现象的影响,获得了一般情况下降落伞"呼吸"现象受载荷物质量与大气密度影响较大,当载荷物质量较小和大气密度较大时,降落伞"呼吸"振荡幅度较大且不易衰减等结论。     

“天鹰”系列运载器助力火星探测降落伞高空开伞技术验证

正火星探测器在实施火星着陆过程中有一段伞系减速段(见图1),需要在火星稀薄大气的条件下采用降落伞进行减速,在距火星表面约11 km的高度打开降落伞,将探测器速度由460 m/s减速到95 m/s左右[1]。这个过程中,能否成功实现高空开伞是关键一步。     

不同攻角下超声速降落伞伞绳的影响研究

文章基于一种简易"浸入边界技术"与流固耦合方法对超声速来流条件下的三维降落伞系统进行了数值模拟。研究中,降落伞系统包括前体和伞体,两者通过伞绳连接。文章的研究目的是分析不同攻角下降落伞伞绳对于降落伞系统周围复杂非定常流场的影响,以及对降落伞性能表现的影响。结果表明:在较小的前体和伞体距离下,由于攻角的影响,非定常流场结构呈现上下不对称,并且上下伞绳激波形成时间不同步。随着攻角的增加,上下面的伞绳激波形成时间出现推迟,并且有变弱的趋势。另外,由于攻角与伞绳的综合影响,伞内表面的时间平均压力分布在5o攻角时最小,而在10o攻角时最大,阻力系数却随着攻角的增加而增加。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析,提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法,并借鉴过载-时间控制法的相关思想,结合火星探测进入轨道的特点,研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件,采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

火星探测着陆系统开伞控制方法研究

文章通过对火星探测进入轨道的分析，提出了一种以动压为控制目标的开伞控制方法，并借鉴过载-时间控制法的相关思想，结合火星探测进入轨道的特点，研究了该开伞控制法的原理和实现方法。根据火星探路者的实际进入条件，采用该方法的分析结果与实际飞行中的开伞情况基本吻合。     

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。     

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。     

"绳帆"现象及其对开伞过程的影响

文章对国外相关实验及计算工作进行了综合分析,指出高空侧向风容易引起开伞过程的"绳帆"现象,从而导致严重的后果,总结了消除此现象的若干种对策.并介绍了国外通过计算机模拟"绳帆"问题在实际飞行中得到的成功应用,建议中国也开展相应的理论分析和软件研制工作.     

Analysis of predictive entry guidance for a Mars lander under high model uncertainties

The problem of precision landing on Mars is now considered to be an essential challenge in the planned Mars missions. The paper focused on the guided atmospheric entry as a predominant phase in achieving a desired target state, as compared with the following parachute and powered descent. The predictive algorithms for the longitudinal guidance of a low-lift entry vehicle are treated. The purpose is to investigate applicability of the predictive strategy under possible high discrepancies between the on-board dynamic model and real environment while in entry trajectory. The comparative performance analysis based on computer simulation has been made between the standard one-parametric “shooting” predictive algorithm and a more complex two-parametric algorithm providing lower final velocity and, thus, expanding the interval of admissible downrange. However, both algorithms display considerable degradation of downrange accuracy in the cases when the actual drag force is larger than the modelled one. An acceptable solution has been found by including to both predictive guidance schemes an identification algorithm that repeatedly adapts the on-board model to varied environment in real time scale.     

火星着陆关键环节多学科交叉设计与验证

针对火星着陆任务在飞行环境、地面验证、系统间关联性等方面面临的技术挑战,根据火星着陆关键环节涉及的气动减速、降落伞减速、动力下降和着陆缓冲四个主要阶段,分别分析了大气进入方式、进入初始条件、气动外形、防热、开伞控制、大底弹射、背罩规避机动与触火关机等关键要素,并介绍了天问一号与其他典型火星着陆任务开展的多学科交叉设计过...     

火星进入舱开伞弹伞载荷动力放大系数研究与试验验证

Firstly, the analytical formulas of the dynamic magnification factor with the pulse time of the response spectrum of a single degree of freedom system under the rectangular and half sine pulse are derived. Then the parachute inflation and ejection low frequency high shock load dynamic simulation model of the Mars entry vehicle is built based on abaqus explict dynamics, and the influence of the shock load shape, load time and load damping are analyzed. Finally, the experiments of the opening parachute load suspension impact dynamic load and the parachute load real parachute impact dynamic load are carried out.The results show that the structure responds decline when the shock load time is less than  1 ms , and the static equivalence load becomes steady when the load time is longer than 5 ms; the dynamics equivalence load of the parachute inflation is about 1 time than static because of the smooth time wave, but the parachute ejection’s is about 1~2 times than static due to the steep rectangle wave.