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。     

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。     

基于LS-DYNA的三维翼伞参数化建模仿真研究

目前对翼伞气动性能的仿真研究大部分局限在二维翼型剖面或者不考虑伞衣柔性的三维数值仿真研究,因而无法获得较准确的翼伞气动性能参数,不能为工程研究提供借鉴和依据。为了提高翼伞仿真的准确性和效率,文章结合翼伞的设计流程,基于APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言对翼伞进行参数化几何建模,生成带前缘切口的翼伞三维几何模型,并自动划分网格生成有限元模型,再利用LS-DYNA求解器进行流固耦合求解,由于仿真求解中考虑了伞衣柔性,因而获得更准确的翼伞气动性能参数。基于MATLAB的GUI(Graphic User Interface)模块建立翼伞参数化设计、仿真平台,并进行了验证,翼伞气动性能仿真参数与翼伞试验数据基本吻合,说明该平台具有一定的可信性。     

多翼伞系统智能协同控制研究

为了在实际空投任务中实现大规模的物资、装备补给,采用多翼伞协同是未来翼伞空投的重点发展方向,然而基于多体协同的空投方式也提高了控制的复杂度。为实现大规模多翼伞空投系统协同控制,文章采用了多翼伞系统非线性降阶模型,提出了多翼伞系统协同控制算法,并对控制器进行了稳定性分析。通过仿真实验与实际翼伞试验,验证了该控制算法在各翼伞个体分散投放的情况下,各翼伞通过局部信息交互获得其邻居翼伞的位置,可在较短时间内实现具有一定的安全间距的编队协同飞行,避免了相互碰撞的风险,最终雀降着陆。文章研究的方法对多翼伞系统协同控制有较好的效果,可为多翼伞系统的进一步研究提供理论参考。     

刚柔耦合系统神经网络跟踪控制方法研究

针对刚柔耦合系统的姿态跟踪及振动抑制问题,采用一次近似动力学模型,提出了一种神经网络控制方法.典型刚柔耦合系统由一个中心刚体和带有末端质量块的柔性附件组成,假设系统参数未知并且截断模型具有任意的有限维.该方法利用多层神经网络补偿系统非线性项及未建模动态,利用其自学习和自适应能力,降低不确定性因素对系统产生的影响;并且控制器只利用姿态角和角速度信息进行反馈控制,不需要知道柔性附件振动信息.理论分析和实验结果表明该方法使闭环系统所有信号一致最终有界,能有效地使系统完成姿态跟踪,而且能显著地减少柔性结构的弹性振动.     

翼伞系统分段归航轨迹的优化设计

如何有效利用翼伞系统自身的可操作性来规划归航轨迹，一直是研究人员关心的问题。近来，分段设计的方法以其计算简单、轨迹可知和工程实用的特点而备受关注。从六自由度动力学建模和仿真入手，分析了翼伞系统飞行的基本特性，在此基础上进一步简化了模型。然后详细介绍了一种分段优化设计翼伞轨迹的思想和各阶段的特点，仿真试验结果表明此方法是可行的。     

当今翼伞技术的发展

文中介绍近几年国外针对翼伞阻力特性对翼伞翼型结构等方面所作的改进。这些改进 应用在运动翼伞上，而且还应用在常规翼伞上，文中还介绍了大面积翼伞的研究情况，当前马翼伞的回收重量到１６．３ｔ，翼伞面积这１０００ｍ＾２，所有这些表明翼伞的发展非常迅速，对民用及国防建设有重大意义。     

某卫星微振动建模与仿真

针对某卫星微振动力学环境,参考IME颤振分析建模方法,建立了一种卫星刚柔耦合多体动力学微振动仿真模型,并通过地面试验验证了利用微振动仿真模型预测卫星在轨微振动响应的有效性,阐述了卫星在轨微振动响应仿真计算预测方法。利用该微振动仿真模型能较准确地预测卫星在轨微振动响应以及微振动传递特性。     

可控翼伞的飞行控制程序设计与运动仿真

文章介绍可控翼伞飞行控制程序的设计。以提高落点精度和减少操纵量为准则，设计了分阶段的归航控制程序，该程序中的关键参数运用仿真优化方法得以确定。为验证和改进翼伞飞行控制程序，构建了翼伞归航的可视化仿真环境。该仿真环境可以给出在设定条件下归航的仿真结果，包含翼伞系统运动轨迹的显示和统计分析结果，同时能直观地显示翼伞系统在三维场景中的归航过程。     

翼伞系统分段归航轨迹的优化设计

如何有效利用翼伞系统自身的可操作性来规划归航轨迹 ,一直是研究人员关心的问题。近来 ,分段设计的方法以其计算简单、轨迹可知和工程实用的特点而备受关注。从六自由度动力学建模和仿真入手 ,分析了翼伞系统飞行的基本特性 ,在此基础上进一步简化了模型。然后详细介绍了一种分段优化设计翼伞轨迹的思想和各阶段的特点 ,仿真试验结果表明此方法是可行的。     

翼伞归航准则及测风原理探讨

翼伞作为一种新型气动力减速器日渐受到空间回收技术重视。文中给出了具有非比例自动归航控制的翼伞系统的归航准则(考虑到风的影响)以及利用GPS测量数据计算风场的公式。     

火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。     

基于ALE方法的群伞稳降阶段的数值模拟

随着计算机技术和数值模拟的兴起,精确描绘降落伞力学特性成为可能。文章采用任意拉格朗日-欧拉法对美国“阿波罗”飞船降落伞回收系统的稳降阶段进行了数值模拟。通过建立结构动力学与计算流体力学的耦合模型,研究了3具环帆伞的流固耦合过程,并模拟了降落伞的外形变化和伞衣内外流场的变化。流固耦合计算结果表明,各伞最终稳定在20＆#176;左右,环帆伞的群伞效率因数约为0.93,比C-9伞大。文章的分析结果对中国探月工程回收系统的主伞设计具有参考意义。     

某圆周缝型救生伞的充气性能研究

为获得新型圆周缝结构救生伞的充气性能,文章采用任意拉格朗日欧拉流固耦合方法对该救生伞进行了充气过程的数值模拟,用空投试验结果验证了该数值方法的可行性。数值结果得到了绕伞衣流场、伞衣外形、运动的动态信息,对数值结果的分析发现初始充气阶段后期流场对上部伞衣影响很大,为充气过程中上部伞衣的控制提供了依据,但是初始充气期救生伞的摆动角度小于充满期。对于结构透气量不对称设计的伞衣,不对称充气是绝对的,圆周缝会首先在结构透气量少的部位张开。结果表明,对不同的圆周缝节点设计不同的开缝力将有助于保持良好的对称充气状态,改变开缝力的设计参数将会改变圆周缝的开缝时间及圆周缝完全张开所需的时长,将达到更好的减载效果。研究结果对圆周缝型降落伞的优化设计有一定的参考作用。     

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。     

基于有效透气量对火星降落伞气动力系数预测分析

针对火星探测任务中降落伞开伞环境为低密度大气的特点,本文由降落伞气动力系数与透气量关系,提出了通过降落伞有效透气量预测降落伞气动力系数的方法,该方法先由织物透气量试验获取伞衣透气量拟合曲线和透气量常数,再根据风洞试验得到两种有效透气量下的气动力系数,然后由有效透气量插值获取了盘缝带(DGB)伞火星大气条件下气动力系数,并且通过空投试验数据对该方法进行验证。计算结果表明,在火星条件下,降落伞气动力系数与风洞条件下变化趋势基本一致。Ma 0.4工况阻力系数的变化范围为0.583～0.622,Ma 0.8工况阻力系数的变化范围为0.438～0.494。     

折叠降落伞展开过程研究

为更好地从机理上研究折叠降落伞的展开过程,文章首先采用基于初始矩阵修正的直接折叠法建立了降落伞的折叠模型,并对该模型使用任意拉格朗日-欧拉法模拟了无限质量情况下不同风速、不同引导伞作用下开伞情况。计算结果证明了引导伞经验设计的有效性,但同时发现个别情况下经验设计过于粗糙,容易导致出现不良充气状态。文章的研究内容对降落伞设计、优化具有指导意义。     

星载大型反射面天线主动振动抑制建模分析方法

为研究抑制星载大型反射面天线的在轨振动,文章给出一种基于压电材料的天线臂主动振动抑制建模分析方法。该方法基于整星刚柔耦合动力学模型,通过将压电材料的应力等价为内力矩,应变等价为位移差分,获得卫星动力学、振动抑制与姿态控制的解析式耦合计算模型,进而预测振动抑制后的天线振动传递特性和响应。以某带大型反射面天线的卫星为例,分别从压电材料布局和计算边界条件角度给出主动振动抑制的时域、频域分析结果,并进行对比。分析结果表明:文章所提出的方法能够实现压电材料在天线臂上的布局优化以及获知天线臂主动振动抑制效果。     

长征八号运载火箭减载效果评估及验证（英文）

LM-8 inherited mature modules from other launch vehicles, adapting the overall design through the combination of engine throttling, wind compensation and load relief control, so as to reduce the aerodynamic load during flight. This paper proposes a rapid evaluation method for load relief performance, which takes launch vehicle's characteristics, wind field, control parameters, aerodynamic deviation and structure deviation into consideration, and provides a quick estimation method for load relief performance. The load relief performance of the LM-8 launch vehicle estimated by this method achieved 10%-20% in pitch and 20%-40% in yaw. The specific results are related to parameter deviation, the altitude of wind shear and the relationship between wind direction and trajectory angle. Simulation results for a typical case with six degrees of dynamic freedom of flight proves that the comprehensive load relief performance would be between 14% to 34%, which is in line with the aforementioned method. In addition, simulation results indicate that the more severe the wind shear is, the better performance of load relief can be achieved.