【摘要】：火星探測(cè)器進(jìn)入火星大氣后要采用降落傘進(jìn)行氣動(dòng)減速,降落傘減速過程是探測(cè)器整個(gè)著陸過程中最為關(guān)鍵的階段之一。由于火星大氣與地球大氣存在巨大差異,火星降落傘的開傘條件具有超聲速、低動(dòng)壓、低密度的特點(diǎn)。特殊的開傘條件導(dǎo)致火星降落傘減速過程會(huì)出現(xiàn)繩帆、顫振和呼吸、無限質(zhì)量開傘、減速效率降低、穩(wěn)定性變差等問題,與返回地球時(shí)的降落傘減速過程存在較大的差別,有必要對(duì)火星探測(cè)器降落傘減速過程開展深入研究。本文以我國(guó)首次火星探測(cè)工程著陸巡視器的降落傘減速系統(tǒng)為研究對(duì)象,圍繞火星環(huán)境下降落傘減速工作過程中降落傘彈射拉直過程、降落傘的充氣過程及氣動(dòng)性能、降落傘充滿后與著陸巡視器組合體的運(yùn)動(dòng)過程及彈道偏差散布、火星降落傘的開傘控制等問題展開研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:研究了火星降落傘的彈射拉直過程。針對(duì)火星環(huán)境下超聲速、低動(dòng)壓、低密度的特殊開傘條件,建立了完整的降落傘彈射拉直動(dòng)力學(xué)模型,模型結(jié)合火星降落傘的特點(diǎn)將彈射拉直過程劃分為多個(gè)階段,模型中針對(duì)著陸巡視器、降落傘傘包以及彈傘筒蓋建立了剛體模型,針對(duì)傘包內(nèi)的吊帶、傘繩、傘衣建立了柔性繩索模型,并考慮了多根繩索一起從傘包中被拉出時(shí)的相互纏繞及遮擋影響。論文通過設(shè)置彈射分離速度、總攻角、馬赫數(shù)、高度等不同的初始條件,開展了多工況的仿真計(jì)算,分別從拉出時(shí)間、拉出位形、吊帶拉力變化、最大偏離距離等方面分析了不同因素對(duì)彈射拉直過程的影響。所得結(jié)論為我國(guó)首次火星探測(cè)降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中彈射分離速度指標(biāo)的確定提供了參考。研究了火星降落傘充氣展開過程及其氣動(dòng)性能。針對(duì)用于火星探測(cè)的盤縫帶傘建立了多節(jié)點(diǎn)充氣動(dòng)力學(xué)模型,解決了降落傘在超聲速條件下充氣的快速大變形流固耦合建模問題,可用于超聲速條件下降落傘充氣展開過程的仿真分析,獲得氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果�；贏LE(任意拉格朗日-歐拉)方法,利用RADIOSS軟件對(duì)不同馬赫數(shù)下的火星降落傘充滿后氣動(dòng)特性進(jìn)行流固耦合仿真分析,研究出合理的仿真模型方法,首次明確提出了ALE中降落傘仿真相關(guān)的接觸設(shè)置方法。論文利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上針對(duì)火星條件下的開傘充氣過程及充滿后的氣動(dòng)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。研究了著陸巡視器與降落傘組合體的動(dòng)力學(xué)特性。以我國(guó)火星探測(cè)著陸巡視器為對(duì)象,建立了完整的器傘組合體動(dòng)力學(xué)仿真模型,包括降落傘模型、著陸巡視器模型以及兩者間的吊掛模型,模型中考慮了降落傘的附加質(zhì)量,采用小質(zhì)量點(diǎn)法求解中間約束環(huán)節(jié)的連接帶、吊帶的約束力。在器傘組合體動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,基于蒙特卡洛方法對(duì)火星探測(cè)器降落傘減速過程開展了多種因素影響的偏差仿真,得到了較為全面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)開傘條件的散布帶來減速所需時(shí)間、高度的散布較大,而降落速度、動(dòng)壓、姿態(tài)等散布相對(duì)較小。所得結(jié)論為我國(guó)首次火星探測(cè)降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中開傘條件指標(biāo)的確定提供了參考。研究了火星降落傘的開傘控制方案。針對(duì)火星降落傘的特點(diǎn),結(jié)合我國(guó)火星探測(cè)著陸巡視器的總體方案,對(duì)多種開傘控制方案進(jìn)行了適用性分析,得出了適合選擇基于動(dòng)壓的自適應(yīng)開傘控制或者馬赫數(shù)開傘控制方案的結(jié)論。結(jié)合動(dòng)力學(xué)偏差仿真對(duì)基于動(dòng)壓的自適應(yīng)開傘控制方案以及以馬赫數(shù)為目標(biāo)的開傘控制方案進(jìn)行了分析,結(jié)合彈射拉直過程的仿真首次提出了基于動(dòng)壓的自適應(yīng)開傘控制和馬赫數(shù)開傘控制方案中應(yīng)增加開傘攻角控制策略,已為工程型號(hào)采納。本文并對(duì)自適應(yīng)開傘控制的硬件實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了初步的研究。論文所得結(jié)論為我國(guó)首次火星探測(cè)降落傘開傘控制方案選擇提供了參考。
【圖文】：

圖 1.1 降落傘子系統(tǒng)組成圖盤縫帶傘的頂幅如同平面圓形傘，，中間開有頂孔。側(cè)邊是一個(gè)圓柱形圍在頂幅與側(cè)幅之間留有較寬的縫隙，見圖 1.2 所示。盤縫帶傘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀對(duì)受力均勻，穩(wěn)定性好，在低密度環(huán)境下使用可靠性高。

第 9 頁圖 1.2 盤縫帶傘結(jié)構(gòu)示意圖種盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1.3。由表iking 型（Viking,Phoenix,MSL 采用）這兩類盤縫帶傘的盤直徑、縫寬和帶衣結(jié)構(gòu)透氣量存在明顯的差異[24]-[25]。主要是強(qiáng)調(diào)傘的阻力性能，傘衣的結(jié)構(gòu)35 左右；而 MPF 及其改進(jìn)型盤縫帶性能，傘衣的結(jié)構(gòu)透氣量在 9%～10%
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V476.4

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本文編號(hào)：2693496