降落伞附加质量对开伞载荷的影响研究.pdf
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1、Journal of Aerospace Science and Technology 国际航空航天科学国际航空航天科学,2023,11(2),47-57 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jast https:/doi.org/10.12677/jast.2023.112007 文章引用文章引用:刘康,包文龙,薛晓鹏,吴壮志,荣伟.降落伞附加质量对开伞载荷的影响研究J.国际航空航天科学,2023,11(2):47-57.DOI:10.12677/jast.2023.112007 降落伞附加质量对
2、开伞载荷的影响研究降落伞附加质量对开伞载荷的影响研究 刘刘 康康1,包文龙包文龙1,薛晓鹏薛晓鹏2,吴壮志吴壮志3,荣荣 伟伟1*1北京空间机电研究所,北京 2中南大学自动化学院,湖南 长沙 3北京航空航天大学计算机学院,北京 收稿日期:2023年4月7日;录用日期:2023年6月8日;发布日期:2023年6月15日 摘摘 要要 充气过程中的降落伞外形和体积均发生急剧变化,对其气动性能产生重大影响,同时也使得附加质量及充气过程中的降落伞外形和体积均发生急剧变化,对其气动性能产生重大影响,同时也使得附加质量及其变化规律的确定十分困难。文章首先基于充气仿真数据得到了降落伞的投影面积、阻力面积和伞衣
3、体其变化规律的确定十分困难。文章首先基于充气仿真数据得到了降落伞的投影面积、阻力面积和伞衣体积变化规律,然后根据几种常用的工程计算方法得到了不同的降落伞附加质量变化规律,最后结合物伞积变化规律,然后根据几种常用的工程计算方法得到了不同的降落伞附加质量变化规律,最后结合物伞系统动力学分析模型,研究了附加质量及其变化率对降落伞开伞载荷的影响。结果表明:附加质量计算系统动力学分析模型,研究了附加质量及其变化率对降落伞开伞载荷的影响。结果表明:附加质量计算方法对降落伞的开伞载荷分析具有较重要的影响,采用基于伞衣体积的计算方法较基于阻力面积的计算方法对降落伞的开伞载荷分析具有较重要的影响,采用基于伞衣体
4、积的计算方法较基于阻力面积的计算方法更加合适;附加质量变化引起的反作用力和伞衣阻力是降落伞开伞方法更加合适;附加质量变化引起的反作用力和伞衣阻力是降落伞开伞载荷的主要来源;而且开伞载荷载荷的主要来源;而且开伞载荷峰值的出现时间与附加质量变化率峰值的出现时间基本相同。上述结果为工程中分析降落伞开伞载荷及峰值的出现时间与附加质量变化率峰值的出现时间基本相同。上述结果为工程中分析降落伞开伞载荷及其影响因素提供了参考。其影响因素提供了参考。关键词关键词 附加质量,开伞载荷,数值仿真,动力学模型,航天返回附加质量,开伞载荷,数值仿真,动力学模型,航天返回 Study on the Influence o
5、f Added Mass on Parachute Opening Load Kang Liu1,Wenlong Bao1,Xiaopeng Xue2,Zhuangzhi Wu3,Wei Rong1*1Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 2School of Automation,Central South University,Changsha Hunan 3School of Computer Science and Engineering,Beihang University,Beijing Received:
6、Apr.7th,2023;accepted:Jun.8th,2023;published:Jun.15th,2023 *通讯作者。刘康 等 DOI:10.12677/jast.2023.112007 48 国际航空航天科学 Abstract During the process of parachute inflation,the canopy undergoes significant changes in shape and volume,which greatly affects its aerodynamic performance and makes it difficult to
7、determine the parachute added mass and its rate of change.In this paper,we use simulation data from one pa-rachute inflation to obtain the laws governing the change in projected area,drag area,and volume during the inflation process.We then use several common engineering calculation methods to de-te
8、rmine the parachute added mass.Finally,we use a forebody-parachute system dynamics analy-sis model to study the effects of added mass and its rate of change on the parachute opening load.Our results show that the method used to calculate added mass has a significant impact on the analysis of parachu
9、te opening load,with the method based on canopy volume being more suitable than that based on canopy drag area.The main sources of parachute opening load are the reaction forces resulting from added mass changes and canopy drag,and the peak time of parachute open-ing load is generally the same as th
10、e peak time of added mass change rate.These findings provide a reference for analyzing the factors that influence parachute opening load in engineering.Keywords Added Mass,Opening Load,Numerical Simulation,Dynamic Model,Spacecraft Recovery Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work
11、 is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 降落伞具有质量轻、减速效果好的优点,在航空航天领域内得到了广泛应用,包括无人机回收、载人航天器返回等气动减速任务 1。降落伞依靠在空气中产生气动阻力实现减速制动,附近流体具有的动量发生变化后会使得降落伞受到额外的惯性阻力,附加质量被用来直观地描述该惯性力 2。由于降落伞是一个大而轻薄又有着巨大容积的物体,因而在空气中运动时伞衣内部
12、携带着大量气体,且总质量远远超过降落伞本身,特别是在充气展开过程中,伞衣的形状、尺寸和体积变化十分激烈,流固耦合效应显著,降落伞附加质量及其变化也因此非常复杂又非常剧烈,对其动力学特性产生了重大影响。一般降落伞附加质量的确定主要依赖试验和工程经验进行估算,且往往将其视为伞衣体积或是阻力面积的函数 3-8,而降落伞充气过程中的伞衣体积和阻力面积又难以准确得到,一些简化假设导致附加质量的计算结果与实际情况存在较大偏差 9,最终影响降落伞开伞载荷计算分析的准确性。随着计算机技术和数值仿真技术的发展,目前已能通过数值仿真的方式获取降落伞充气展开过程中的伞衣外形变化 10 11 12 13,并且仿真结果
13、的精度也在可接受范围内,这为降落伞充气时的伞衣体积和阻力面积计算提供了一条新的技术途径。本文通过数值仿真的方式模拟了降落伞的充气展开过程,从仿真结果中获取到降落伞充气时的伞衣体积和阻力面积变化规律,然后针对常用的降落伞附加质量工程计算方法,分析了附加质量对降落伞开伞载荷的影响。2.物伞系统动力学物伞系统动力学模型分析模型分析 动力学分析是降落伞常用的气动性能研究方法,根据不同程度的简化可以建立多个不同的物伞系统Open AccessOpen Access刘康 等 DOI:10.12677/jast.2023.112007 49 国际航空航天科学 运动方程组 14,其中二自由度平面动力学模型较为
14、简单,可直接计算得到降落伞开伞载荷和物伞系统运动速度等,且精度能够满足一般的分析需求,因此,为了便于问题分析,本文使用该模型计算分析附加质量对降落伞开伞载荷的影响。如图 1 所示,为物伞系统平面动力学分析模型。图中 t 为时间;Fk为降落伞开伞载荷;v 为物伞系统运动速度;为物伞系统弹道倾角;为气体密度;gn为重力加速度;A 为伞衣阻力面积;Aw为进入器阻力面积;ms为降落伞质量;mw为进入器质量;mf为附加质量。Figure 1.Plane dynamics analysis model of forebody-parachute system 图图 1.物伞系统平面动力学分析模型 物伞系统
15、平面动力学分析模型的基本假设如下 15:1)物伞系统为双质点系统,且质心分别位于进入器的重心和降落伞伞衣底边中心处;2)物伞系统始终保持在二维平面内运动;3)物伞系统的运动轴线始终重合;4)忽略物伞之间伞绳弹性的影响。根据充气时间法求解该模型的微分方程为:()()22kcosdddd1sind2ddd1sind2dwsnwsffwswnwsfwsfwsffsfsnmm gtmmmvmmmAAvvgvtmmmmmmmmmtmvFmmv Avm gtt+=+=+=+(1)由上述 Fk的计算表达式可知,开伞载荷包括惯性力、伞衣阻力、附加质量变化引起的反作用力以及降落伞重力。一般附加质量大小是降落伞质
16、量的数倍以上,导致惯性力中附加质量的占比较大,此外附加质量变化率与物伞系统运动速度的乘积可以是比较大的数值,因此附加质量对降落伞气动性能的影响不容忽视。刘康 等 DOI:10.12677/jast.2023.112007 50 国际航空航天科学 3.降落伞附加质量计算方法降落伞附加质量计算方法 3.1.基于阻力面积的基于阻力面积的计算方法计算方法 附加质量计算是流体力学研究中的难点,结构复杂的物体其附加质量没有解析解,工程中通常根据降落伞阻力面积的变化规律计算分析其附加质量 16 17,如式(2)所示。1.5fAmkA=(2)式中:kA为修正系数。采用该方法需要事先获取降落伞充气过程中的阻力面
17、积变化规律,且式(2)中 A1.5的本质是用阻力面积模拟得到降落伞体积来计算附加质量。3.2.基于体积的计算方法基于体积的计算方法 根据降落伞与流体相互作用的特点,可将附加质量分解为内含质量和表观质量来计算 18 19:内含质量可由伞衣体积与气体密度直接计算得到;表观质量是伞衣外部随动的气体质量,其大小难以描述,但是任意状态下降落伞的表观质量与内含质量之比是存在的,被称为表观质量系数,因此降落伞附加质量还可以通过式(3)进行计算:()1ffmkV=+(3)式中:V 为伞衣体积;kf为表观质量系数。使用该方法需要已知充气过程中的伞衣体积变化规律。另外,文献 20研究指出表观质量系数是随时间而变化
18、的,并且与时间是单值函数关系。3.3.基于椭球体势流理论的计算方法基于椭球体势流理论的计算方法 根据势流理论,椭球体的附加质量可由式(4)计算 21:44233fmabcabc=+(4)式中:a 和 b 为椭圆的赤道半径,c 为椭圆的半长轴;所在项表征了椭球体沿其对称轴运动的表观质量。根据文献 21 的取值接近 1,将 =1 代入式(4)得到:423fmabc=(5)该方法将充满的伞衣视为椭球体,若用伞衣体积 V 表示其中的椭球体积43abc,则式(5)与式(3)便具 有相同的形式,进一步得到 取 1 与 kf取 1 是等价的。3.4.附加质量工程计算方法附加质量工程计算方法 根据分析,不同降
19、落伞附加质量计算方法的差异性在于附加质量系数的确定以及伞衣体积获取方式,由此本文确定出三种降落伞附加质量计算方法,如表 1 所示。根据 2.3 小节,kf可取定值 1,即方法 2;同时为了避免附加质量大小的不确定性影响分析结果,附加质量计算公式中的修正系数大小应使得在降落伞稳态阶段的附加质量计算结果尽量接近,因此以方法 2 为参照不断调整可得到 kA,即方法 1;最后,根据文献 21的内容考虑令 kf按照某种规律变化增大,即方法 3,但是变化的 kf取值下限不能过小也不能与上限十分接近,因此综合考虑之下确定 kf的变化范围为0.5,1.0。刘康 等 DOI:10.12677/jast.2023
20、.112007 51 国际航空航天科学 Table 1.Engineering calculation methods of parachute added mass 表表 1.降落伞附加质量工程计算方法 编号 附加质量计算公式 附加质量系数选取说明 伞衣体积获取说明 方法 1 式(2)kA取定值 0.2975 根据 A1.5模拟伞衣体积,A 通过处理仿真数据得到 方法 2 式(3)kf取定值 1 处理仿真数据得到伞衣体积 方法 3 式(3)假设 kf按照伞衣投影面积变化规律 逐渐增加,取值范围限定在0.5,1.0 处理仿真数据得到伞衣体积 4.降落伞充气过程降落伞充气过程数值仿真数值仿真 为
21、了获得降落伞充气过程中的形状和体积变化规律,以及伞衣阻力面积变化规律,用于表 1 所示附加质量的计算和动力学模型分析,对降落伞的充气过程进行了数值模拟。4.1.仿真模型仿真模型 本文以某型号环帆伞为研究对象,主要尺寸参数如表 2 所示,伞衣幅结构如图 2 所示,其中伞衣幅总长 h 为 3970 mm,上宽 la为 52 mm,下宽 lb为 989 mm;环高 hr为 1640 mm;帆高 hs为 2250 mm;环缝宽度 r 为 40 mm。Table 2.Parachute main structural dimensions 表表 2.降落伞主要结构尺寸 名义面积/m2 名义直径/m 环数
22、 帆数 伞衣幅数 收口绳长度/mm 50.3 8.003 4 6 24 4750 Figure 2.Parachute gore structure 图图 2.降落伞伞衣幅结构 为了确保仿真中降落伞开伞充气时的初始状态与空投试验一致,本文在仿真模型中添加了收口绳结构并采用单元失效的方式实现收口控制,如图 3(a)所示,由于仿真设置的关系,收口绳使用了 2D 网格单元。仿真时首先维持收口状态计算一段时间,直到降落伞与流场达到稳定,然后才解除收口进行充气展开计算,从而使得仿真模型在开伞时刻的状态与实际情况相符,保证开伞充气仿真数据的合理性。如图 3(b)所示,记 D0为降落伞名义直径,则流场仿真模
23、型是直径为 4D0、高度为 5D0的圆柱形流场。为了使得仿真模型能够捕捉降落伞最小结构孔隙的气体流动,以保证开伞载荷、开伞时间以及伞衣外形变化等仿真结果的正确性,对伞衣附近的流场网格进行了局部加密。另外,根据该伞某次空投试验中解除收口时的环境条件,得到仿真计算初始条件如表 3 所示。刘康 等 DOI:10.12677/jast.2023.112007 52 国际航空航天科学 Figure 3.Simulation model:(a)Parachute model;(b)Fluid model 图图 3.数值仿真模型:(a)降落伞仿真模型;(b)流场仿真模型 Table 3.Simulation
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