降落傘作為最為常見氣動減速和穩(wěn)定裝置,被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。但降落傘自身復(fù)雜的氣動特性和實(shí)際飛行過程中眾多不確定性因素使得物-傘多體系統(tǒng)在運(yùn)動過程中的動力學(xué)特性難以預(yù)測,給物-傘系統(tǒng)的工程應(yīng)用與設(shè)計(jì)帶來很大困難。通過對物-傘系統(tǒng)運(yùn)動過程建立合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真與計(jì)算,可以對不同飛行條件下系統(tǒng)性能、飛行軌跡、落點(diǎn)精度等進(jìn)行預(yù)測和分析,為總體設(shè)計(jì)方案的評估、驗(yàn)證、改進(jìn)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。另一方面,相較于以往大量的試驗(yàn)分析而言,借助仿真計(jì)算可以極大地提高設(shè)計(jì)效率,縮短研制周期并節(jié)省研制費(fèi)用�，F(xiàn)有物-傘系統(tǒng)仿真程序多為針對特定的物-傘系統(tǒng)運(yùn)動過程開發(fā)的內(nèi)部專有代碼（in-house code）,并且在動力學(xué)建模過程中出于簡化編程實(shí)現(xiàn)和減小計(jì)算量的目的引入了大量簡化假設(shè),因此該類仿真程序僅限于求解某一具體的物-傘系統(tǒng)構(gòu)型,通用性和擴(kuò)展性較差;同時(shí)大量簡化假設(shè)也使得模型保真度（Fidelity）較低,無法捕捉實(shí)際中的諸多動力學(xué)細(xì)節(jié)。針對目前仿真算法以及程序?qū)崿F(xiàn)上的不足,本文分別從基于多體動力學(xué)的物-傘系統(tǒng)總體飛行過程仿真方法和基于流固耦合動力學(xué)的物-傘系統(tǒng)有限質(zhì)量開傘過程結(jié)構(gòu)/流場細(xì)節(jié)計(jì)算... 

【文章來源】：南京航空航天大學(xué)江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：173 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

采用三級開傘序列的“獵戶座”飛船返回過程

圖 1.2 采用四級開傘序列的重裝空投過程復(fù)雜的多級開傘序列和運(yùn)動過程給整個(gè)回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化帶來了很大的挑戰(zhàn)時(shí)，針對不同場景的不同傘系統(tǒng)構(gòu)型和開傘方式也使得難以建立統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯ξ?傘系運(yùn)動特性進(jìn)行評估。另一方面，不同于以安全可靠為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)降落傘應(yīng)用，現(xiàn)代降系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)除了對安全可靠的需求外，更對飛行過程可控性、物-傘系統(tǒng)穩(wěn)定性、落點(diǎn)精提出了更高的要求。但由于降落傘的工作過程是一個(gè)涉及柔性織物大變形的非定常流場-柔構(gòu)耦合過程[4]，其固有的復(fù)雜的氣動特性和回收過程中眾多的不確定性因素使得物-傘系統(tǒng)作過程中的動力學(xué)特性難以預(yù)測，因此在降落傘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中常需要進(jìn)行大量成本高且耗時(shí)耗力的風(fēng)洞吹風(fēng)及空投試驗(yàn)。而對于很多實(shí)際中的應(yīng)用場景，例如進(jìn)行深空探測的器，地面試驗(yàn)很難模擬其實(shí)際飛行條件下的回收系統(tǒng)工作情況，這給實(shí)際研制工作帶來了困難。為了降低降落傘系統(tǒng)改型和設(shè)計(jì)過程中的試驗(yàn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，需要借助于數(shù)值仿算。通過對物-傘系統(tǒng)運(yùn)動過程建立可靠的數(shù)學(xué)模型，發(fā)展與現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)硬件相適應(yīng)精度仿真計(jì)算技術(shù)，可以對不同條件下不同構(gòu)型的物-傘系統(tǒng)飛行性能、飛行軌跡、落點(diǎn)精進(jìn)行預(yù)測和分析，為總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。同時(shí)，通過仿真可以大幅提高設(shè)計(jì)效率、降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減小試驗(yàn)成本，從而縮短整個(gè)回收系統(tǒng)的研制周

有完整空間六自由的剛性物體動力學(xué)模型和具有 6×6 附加質(zhì)量張同時(shí)，使用了彈性繩索約束模型配合三自由度轉(zhuǎn)接頭模型來描述物吊帶構(gòu)型；除此之外，還基于有限元方法中較為常見的節(jié)點(diǎn)-面片接于高精度投物-載機(jī)間接觸力和摩擦力計(jì)算的接觸碰撞模型。模型與主要參考系體地球模型及大地坐標(biāo)系類物-傘系統(tǒng)動力學(xué)研究中，出于簡化建模和計(jì)算的目的，絕大多數(shù)將地球表面假設(shè)為一個(gè)無限大且靜止的平面，并以固連于該平面上來推導(dǎo)相應(yīng)的動力學(xué)方程組。對于低空、低速、短程的物-傘系統(tǒng)飛過程，平面大地假設(shè)所引入的誤差可以忽略不計(jì)。而對于涉及高空、飛行過程，例如航天器的再入減速過程，地球表面曲率所帶來影響不假設(shè)的計(jì)算結(jié)果將會與實(shí)際情形存在較大的偏差，因此不再適用。和通用性，并能夠準(zhǔn)確計(jì)算包括航天器再入過程在內(nèi)的各種物-傘GS-84 橢球體地球模型[108]。


本文編號：3140828