翼伞系统十五自由度动力学建模与仿真

动力学建模是飞行器设计的基础,翼伞作为一种新型的柔性飞行器,在动力学建模方面已经有了较多研究,但仍存在诸多不足。当前翼伞的动力学模型主要有六自由度模型与九自由度模型。六自由度模型将翼伞与载荷当做一个刚体,两体之间采用固定连接;九自由度模型在六自由度模型的基础上考虑了翼伞与载荷间的相对运动,将翼伞与载荷当做两个刚体,两体之间采用铰连接。两种动力学模型都没有体现出翼伞的柔性,与真实的翼伞存在较大差距。文章载荷-翼伞多体飞行系统为研究对象,假定伞绳和吊带分别通过铰链与翼伞和载荷相连接,考虑了伞绳和吊带具有的弹性,伞绳的相交点与伞衣具备相对运动,载荷舱与翼伞除相对转动外还考虑到其相对平移,建立了翼伞十五自由度模型。施加翼伞后缘下偏并仿真计算翼伞转弯运动情况,并与九自由度模型的计算结果进行对比。结果表明,相对于九自由度模型,翼伞十五自由度能够更加真实全面地反映了翼伞的运动情况,除了翼伞的总体运动以外,还能够反映吊带、伞绳相交点的运动。     

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。     

降落伞充气过程中尾流再附动力学分析

文章对降落伞充气过程中的尾流再附现象进行了动力学分析。建立的尾流再附动力学模型包括:伞系统运动方程、尾流运动方程、伞衣-尾流动量交换方程。利用模型计算了3种不同开伞情况下尾流与伞衣的运动,得到尾流再附发生的条件。计算所得到的结论与试验结果一致。     

降落伞充气过程中尾流再附动力学分析

文章对降落伞充气过程中的尾流再附现象进行了动力学分析。建立的尾流再附动力学模型包括：伞系统运动方程、尾流运动方程、伞衣-尾流动量交换方程。利用模型计算了3种不同开伞情况下尾流与伞衣的运动，得到尾流再附发生的条件。计算所得到的结论与试验结果一致。     

利用刚体—质点模型法计算物—伞系统运动轨迹的基本方程

物-伞系统运动轨迹计算是飞行器回收系统设计的重要课题。文中采用刚体-质点模型推导出该问题的求解方程,特别着重讨论了物体运动状态的确定。与通常讨论物体运动将转动参考点取在质心不同,文中针对物-伞系统的实际,把物体转动的参考点取在物-伞连接点。     

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

利用刚体—质点模型法计算物—伞系统运动轨迹的基本方程

物－伞系统运动轨迹计算是飞行器回收系统设计的重要课题，文中采用刚体－质点模型推导出该问题的求解方程，特别着重讨论了物体运动状态的确定。与通常讨论物体运动将转动参考点取在质心不同，文中针对和的－伞系统的实际，把物体转动的参考点取在物－伞连接点。     

基于离散时间传递矩阵法的伞-弹系统动力学模型

采用离散时间传递矩阵法建立了伞-弹系统减速稳定段的动力学模型,回避了多体动力学传统的研究方法在伞-弹系统建模过程中存在的问题。详细给出了应用离散时间传递矩阵法建立铅垂平面内伞-弹系统模型的建模过程,推导了伞-弹系统的传递矩阵和传递方程。通过算例将建立的伞-弹系统模型和采用牛顿-欧拉法建立的伞-弹系统模型进行了对比分析,两种模型计算结果吻合度好,验证了本文模型的正确性以及离散时间传递矩阵法应用在减速伞-子导弹系统中的可行性。     

双欧法在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中的应用

文章针对伞弹系统欧拉方程奇异性 ,利用正、反欧拉方程精华区、奇异区呈倒挂的原理 ,建立了一套与飞机不同的反欧拉系统。将这套双欧系统应用在克服伞 -弹系统欧拉方程奇异性中 ,取得了满意的结果。同时对双欧法与四元数法计算结果进行了对比验证 ,从而更加清楚地看到了四元数法的方法缺陷和不足 ,为进一步能将双欧法应用于伞 -弹系统六自由度弹道实时仿真进行了有益的尝试     

双欧法在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中的应用

文章针对伞弹系统欧拉方程奇异性，利用正、反欧拉方程精华区、奇异区呈倒挂的原理，建立了一套与飞机不同的反欧拉系统。将这套双欧系统应用在克服伞-弹系统欧拉方程奇异性中，取得了满意的结果。同时对双欧法与四元数法计算结果进行了对比验证，从而更加清楚地看到了四元数法的方法缺陷和不足，为进一步能将双欧法应用于伞-弹系统六自由度弹道实时仿真进行了有益的尝试。     

降落伞缩距软着陆技术的研究及其进展

降落伞缩距软着陆技术是过去十多年中,美国在研的一种先进的缓冲减速技术。该技术通过在货物即将触地之前强力收缩货物吊带,产生较高拉力,使货物(回收物,空投物)和降落伞间距缩短,随之使货物减速,实现软着陆。经过近十多年研究,出现了几种典型的缩距器设计,包括活塞-滑轮缩距器,马达-绞盘缩距器,以及气动肌缩距器。目前的研究集中在空投应用方面,空投质量从验证概念时的几十千克,逐步发展到9100kg,并实现了快速装卸。作为气动减速的一种先进技术,降落伞缩距软着陆技术对于航天器回收与着陆系统的研究有着借鉴和参考价值,并具有潜在的应用可能。文章对降落伞缩距软着陆技术的研究发展概况以及几种典型设计进行了介绍。     

降落伞缩距软着陆技术的研究及其进展

降落伞缩距软着陆技术是过去十多年中，美国在研的一种先进的缓冲减速技术。该技术通过在货物即将触地之前强力收缩货物吊带，产生较高拉力，使货物（回收物，空投物）和降落伞间距缩短，随之使货物减速，实现软着陆。经过近十多年研究，出现了几种典型的缩距器设计，包括活塞一滑轮缩距器，马达一绞盘缩距器，以及气动肌缩距器。目前的研究集中在空投应用方面，空投质量从验证概念时的几十千克，逐步发展到9100kg，并实现了快速装卸。作为气动减速的一种先进技术，降落伞缩距软着陆技术对于航天器回收与着陆系统的研究有着借鉴和参考价值，并具有潜在的应用可能。文章对降落伞缩距软着陆技术的研完发展概况以及几种典型设计进行了介绍。     

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。     

降落伞载荷分析介绍

文章回顾了降落伞应力计算分析方法的发展,阐述了应力分析的若干种方法,包括经验法、充气能量法及其结构与流体耦合法,总结了各种方法的特点,并提出看法意见。     

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。     

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。     

对伞包拉绳断裂故障的分析

文中针对某型号降落伞系统空投试验,第一架次试验中出现的伞包拉绳断裂的故障,建立了简单的求解伞包拉绳载荷的模型,通过计算分析表明:造成伞包拉绳断裂的主要原因是其强度设计不足。     

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。     

降落伞拉直过程的三维仿真分析

针对某载人飞船降落伞回收系统的主伞拉直过程,基于多体系统动力学理论,建立了由一系列刚体和质点通过弹性约束组成的三维多体动力学模型。首先,在空投试验条件下,验证了该模型的正确性和仿真结果的有效性;其次,模拟了不同风速不同风向条件下的拉直过程,指出侧向风影响最强,并分析了此规律的动力学机理。对载人飞船降落伞系统拉直过程的仿真研究有助于提高对降落伞拉直过程机理的理解。