环帆伞技术与发展综述

环帆伞具有开伞可靠、开伞冲击小和伞衣抗损伤能力强的特点,已广泛应用于载人航天回收系统。为全面了解和跟踪环帆伞技术的发展,特别是了解和掌握基于群伞使用的大型环帆伞技术,文章通过分析环帆伞的结构特点,总结环帆伞在航天领域的成功应用经验,证明环帆伞是大型降落伞,尤其是载人航天群伞技术的首选伞型。同时文章还对环帆伞的设计改进过程进行了回顾,包括伞衣侧剖面形状、伞衣上下缘张满度、透气量、使用材料、加工工艺和包伞技术。最后对群伞使用情况进行了探讨,尤其是开伞不同步的问题,并提出了提高充气同步性的建议,这对于中国新一代载人飞船群伞技术的研究具有重要的参考意义。     

几何形状对十字伞充气和滑翔性能的影响

为了研究几何形状对十字伞充气和滑翔性能的影响,文章采用LS-DYNA软件中的结构化任意拉格朗日-欧拉（S-ALE）流固耦合求解器,利用数值仿真对5种不同几何形状的十字伞进行了动态开伞过程模拟,得到了十字伞展开过程中不同时刻的伞衣形状,并对不同伞型的充气性能进行了对比分析。此外,对充气稳定后的十字伞,通过在其伞绳端施加恒定载荷使其具备滑翔能力,并对比分析了5种伞型的滑翔性能。数值结果表明,异形结构对十字伞的充气性能影响较大,但对滑翔性能的影响因伞型而异,十字伞的长宽比对充气和滑翔性均具有较大影响。     

某降落伞伞绳断裂仿真分析

分析了在降落伞充气过程伞衣织物的传力路线 ,得出当连接伞衣的某根伞绳断裂之后其上的力将由与其邻的伞绳承担。并且采用动力学仿真软件ADAMS进行建模 ,针对 5种情况进行分析得出伞绳间隔断裂时最危险伞绳承受的力比伞绳连续断裂时要大     

某降落伞伞绳断裂仿真分析

分析了在降落伞充气过程伞衣织物的传力路线，得出当连接伞衣的某根伞绳断裂之后其上的力将由与其邻的伞绳承担。并且采用动力学仿真软件ADANS进行建模，针对5种情况进行分析得出伞绳间隔断裂时最危险伞绳承受的力比伞绳连续断裂时要大。     

冲压式翼伞滑布控制开伞技术研究

为了研究滑布收口控制对冲压式翼伞开伞动载的影响,文章应用结构化任意拉格朗日-欧拉（StructuredArbitrary Lagrange-Euler,S-ALE）方法对翼伞系统在无滑布收口控制和有滑布收口控制两种情况下进行了开伞过程的流固耦合仿真计算,分析了滑布收口对翼伞开伞过程的影响。结果表明：滑布收口控制可以有效降低冲压式翼伞的充气速度、伞衣应力和开伞动载,开伞动载可以降低33%。但有滑布收口控制时,翼伞的气室饱满程度有所下降,边缘气室饱满程度的下降更明显;由于滑布在开伞过程中对翼伞前后缘伞绳受力的影响有差别,使得某些伞绳出现松弛现象,这会对冲压式翼伞俯仰稳定性有一定影响。通过研究滑布收口控制对冲压式翼伞开伞动载的影响,可以为冲压式翼伞收口技术的设计与应用提供参考。     

结构参数对火星探测用伞开伞性能的影响

文章以"火星探路者"所用伞为基础,对其结构作相应改变后进行充气过程仿真计算,研究结构参数对降落伞充气性能的影响。计算结果表明,盘缝带伞的阻力系数随着带宽和缝宽的增加而减小;但超声速开伞时,降落伞充气过程中伞衣的喘振现象随着带宽的增加而减弱,投影面积的波动随带宽增长变得缓和,这对盘缝带伞的开伞安全性和可靠性有利。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

引导伞减速伞开伞过程建模

侧风情况下展开减速系统存在着一定的风险，如果系统不按最小绳帆设计，会导致降落伞系损坏的后果。文章介绍了引导伞减速伞的开伞过程建模及应用分析代码(RVAC)和图形动画(DISPLAY)的实例。     

引导伞减速伞开伞过程建模

侧风情况下展开减速系统存在着一定的风险 ,如果系统不按最小绳帆设计 ,会导致降落伞系损坏的后果。文章介绍了引导伞减速伞的开伞过程建模及应用分析代码 (RVAC)和图形动画 (DISPLAY)的实例。     

减速伞收口状态气动特性仿真与试验研究

减速伞是回收着陆系统中重要的气动减速装置,其气动特性关系着整个减速着陆过程的成败。由于减速伞开伞动压高、载荷大的特点,结构设计及参数选择非常关键,并且,为减小开伞动载,一般采用底边收口的形式控制伞衣逐级充气展开。文章所述的减速伞具有两级收口装置,基于某伞型为带条伞的减速伞进行了收口状态的数值仿真分析和风洞试验研究。利用流固耦合方法获得了减速伞的收口展开过程中典型阶段的气动外形,采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法对收口状态下的减速伞进行了气动特性计算分析。同时,为考察减速伞收口状态的稳态阻力特性及收口解除过程中的阻力特性变化,并验证收口解除装置的工作可靠性,在亚声速风洞中对减速伞进行了稳态及动态解除收口试验。通过减速伞风洞实验,对其阻力面积及动态特性参数进行了测量,实验结果表明仿真计算能够较为准确的预测减速伞收口状态的气动及动力学特性,且误差不大于5%,从而能够为减速伞的结构及强度设计提供重要依据。     

横风对涡环旋转伞系统运动的影响

涡环旋转伞是一种常见的旋转降落伞,下落运动过程受横风的影响严重。基于伞塔实验的高速摄影和图像处理技术,提取涡环旋转伞系统水平和竖直方向的弹道数据点,结合弹道模型,利用遗传算法对气动力参数进行识别。文章分析了横风对涡环旋转伞系统弹道特性的影响,结果表明:涡环旋转伞的轴向力系数为1.02,大于一般其他类型伞;涡环旋转伞系统在横风作用下能很快达到稳定;横风对系统运动轨迹的影响较大,对落速和转速的影响较小。     

带牵顶伞的大面积环帆伞充气性能分析

采用流固耦合的计算方法对带牵顶伞的主伞的充气过程进行了数值模拟,得到了主伞伞衣充气过程外形变化情况,并与试验结果进行了对比;对牵顶伞阻力系数的变化进行了分析,给出了适合工程估算的牵顶伞阻力系数公式。     

大型降落伞开伞过程中的“抽鞭”现象

＂抽鞭＂现象是在大型降落伞开伞过程中可能的顶部甩动现象,它可能造成伞衣破损、不对称充气、伞衣翻转、鞭打等后果,严重时可能造成回收任务完全失败。该文对美国回收系统降落伞开伞过程中出现的＂抽鞭＂现象及其后果进行了综述,并介绍了避免＂抽鞭＂现象的途径。目前对这一现象的机理还缺乏深入研究,有必要从理论和设计上对其进行分析。     

超声速半流伞设计与分析

半流伞是一种典型的超声速减速伞,结构设计和气动特性分析是研究其工作性能的基础。文章结合某超声速减速伞设计实践,论述了超声速伞型的选择和半流伞结构设计方法。通过低速风洞试验、高速风洞试验和高速飞行投放试验,对半流伞气动特性、开伞特性及最大开伞动载进行了研究,获得了半流伞的摆角参数和阻力系数变化规律。研究结果表明,半流伞超声速段阻力系数减小是前置体尾流效应、伞形状变化及充气不稳定等综合因素造成的。火工动力开伞与倒拉法程序结合是开伞程序设计的关键。由于颤振和气动热的影响,超声速段开伞动载计算与亚声速段有明显不同。研究结果对超声速伞的稳定减速机理、结构优化设计和性能试验具有参考意义。     

航天器回收中几种主伞失效案例介绍

主伞失效是指主伞在展开或充气过程中的伞衣破损以及任何故障引起的载荷非正常减速现象 ,严重的可导致整个回收任务的失败。通过对历史上多次主伞失效事故情况的介绍 ,总结了失效形式和故障来源。着重阐述了固体助推火箭发动机回收的主伞失效过程以及多种改进方案。     

盘–缝–带伞超声速充气过程仿真研究

随着火星探测着陆研究的发展,对其主要的减速方式——盘–缝–带伞应用的研究也日趋火热。而在火星探测中,对伞衣充气过程的分析又是最为复杂的难题之一。文章介绍了常用于降落伞流场求解的数值模拟方法,并对它们的利弊做了简要的描述。文章使用守恒元/解元方法对盘–缝–带伞在超声速条件下,从收束状态开始的充气过程进行了数值模拟。首先对前置体进行单独仿真,之后在不同的马赫数下通过对降落伞系统的整体仿真完成对降落伞开伞过程的模拟。仿真数据与实验数据进行对比,获得了较为一致的结果,验证了方法的可行性。另外,文章对两种工作状态下的充气过程进行了对比,分析了盘–缝–带伞在两者中充气过程的异同,以及前置体阻力贡献随着马赫数的变化。最后通过开伞云图对充气过程中的开伞失败现象进行了分析。研究结果可为火星探测提供参考。     

超声速稳定伞气动热数值仿真研究

超声速稳定伞能有效避免飞船返回舱姿态不确定性引起的主降落伞系统开伞故障,在多用途飞船缩比返回舱的再入过程中得到了应用。相比于亚声速开伞过程,稳定伞超声速开伞时会遇到强烈的气动加热问题。文章采用流固耦合方法模拟稳定伞超声速时充气的动态过程,利用气动热数值仿真方法对稳定伞在超声速段的气动加热情况开展研究,确定典型弹道下的伞船系统的流场环境以及稳定伞面热流、温度分布。该数值研究方法可为中国返回式航天器再入返回过程中的超声速稳定伞设计提供参考。     

伞顶控制带的设计、试验与应用

对于大型降落伞而言,开伞过程最容易造成伞衣的损伤和破坏。伞顶控制带可以有效地减少和控制降落伞的损伤。文章介绍伞顶控制带的设计技术、试验方法以及应用情况。     

火星进入舱开伞弹伞载荷动力放大系数研究与试验验证

首先推导了单自由度系统在矩形和半正弦波形脉冲冲击下响应谱动力放大系数与脉冲作用时间的理论解析公式,然后采用有限元显示冲击动力学分析方法,分析了火星探测器进入舱进入过程中开伞弹伞低频大冲击载荷的载荷波形、脉冲作用时间以及结构阻尼对进入舱主结构动力放大系数的影响;最后介绍了开伞载荷悬吊冲坠模拟冲击动载试验和弹伞载荷真实弹伞筒冲击动载试验。分析与试验结果表明:冲击作用时间在1 ms以下时,结构衰减效应明显,冲击作用时间大于5 ms后,动力放大系数同波形下趋于稳定;开伞载荷由于指数型前沿上升时间较长,动力放大系数基本为1;弹伞载荷上升前沿较陡,矩形前沿波放大倍数在1～2倍之间。上述研究可为火星探测器进入舱结构载荷条件的确定提供参考。     

降落伞弹性现象对伞衣载荷的影响

降落伞载荷研究是降落伞研究的一项重要内容,首次将降落伞的弹性现象和伞衣载荷结合在一起考虑。首先理论探讨了降落伞工作过程时伞衣动载的产生原理及其影响因素。在此基础上,采用了不同弹性的伞衣材料及不同弹性的连接绳连接方式,对平面圆形伞在定常风洞情况下的开伞过程进行了试验研究。获得了伞衣载荷和伞形之间的动态关系,发现降落伞弹性现象对伞衣载荷有重要的影响。试验结果表明降落伞弹性增强,会加大降落伞工作过程的不稳定性,呼吸现象更为明显;伞衣载荷的波动峰值增加,振动频率加快,同时会使充气推迟,充气时间延长。该实验研究可为降落伞的载荷分析提供一定的依据。