超大型组合翼伞与超大型连续翼伞的气动性能对比分析

随着航天回收系统应用需求越来越广,回收物质量也越来越大,对翼伞面积的要求越来越高,超大型翼伞开始受到广泛的关注,然而目前国内外对超大型翼伞的研究较少。对此,文章以超大型连续翼伞和超大型组合翼伞为研究对象,分别对其进行物理建模。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,基于k-epsilon湍流模型,分别计算在无下拉、单侧下拉、双侧下拉时超大型连续伞和超大型组合伞的气动特性。研究发现,超大型组合伞在组合处有很明显的气流补充,可以减缓流动分离的情况,增大失速迎角,更适合大攻角的飞行任务,适用范围更广。研究成果可以为以后超大型翼伞的选型提供一定的参考。

翼面形状对翼伞气动性能的影响

为了研究不同翼面形状对翼伞气动性能的影响,文章以某型冲压翼型为对象,建立了翼伞滑翔阶段稳态绕流流场数值模型,分析了翼面后缘形状对稳态滑翔阶段翼伞流场结构及气动特性的影响,在此基础上探究了后缘前掠角大小对翼伞气动性能的影响。研究结果表明,后缘前掠型翼面的上翼面前缘压力降低,有利于减小翼面压差阻力,升阻性能最好,翼伞设计时宜采用后缘前掠型翼面设计;随着前掠角增大,升力系数和阻力系数均先减小后增加,翼伞升阻比随着前掠角增大呈现先增后减的趋势;当前掠角过大时,上翼面流动分离区变大,压差阻力增加会导致升阻比降低;综合流场结构和气动特性考虑,前掠角为6°时翼伞气动性能最优。研究成果可为高滑翔翼伞设计提供一定参考。

风场下翼伞系统运动特性研究

为探究风场对翼伞系统运动特性的影响,建立了翼伞系统六自由度动力学模型,采用龙格库塔法对风场下翼伞系统运动特性进行了仿真计算。在此基础上,开展了翼伞系统在不同风向与不同飞行高度下运动特性变化的对比研究。结果表明:风场会改变翼伞空速,引起气动角变化,导致翼伞气动性能改变,使系统力、力矩不平衡,系统速度、姿态出现波动,而后重新恢复稳定,稳定后速度略大于无风时飞行速度与风速的矢量和;系统在顺风条件下前俯,逆风条件下后仰,侧风情况下会出现明显的滚转、偏航运动;飞行高度通过影响风速与大气密度改变系统平衡速度,高度越高平衡速度越大,但滑翔比与姿态角变化较小。文章所得风场下翼伞系统运动特性变化规律对翼伞轨迹规划及飞行控制有一定应用价值。

翼伞系统两体模型雀降操纵高度的优化

为减小翼伞系统的着陆速度,提高载荷的着陆安全性,提出了最优雀降高度确定方法,并完成相对雀降高度和着陆速度影响因素及计算模型研究。首先建立了翼伞-载荷系统两体九自由度动力学模型和雀降操纵耦合气动特性模型,更真实地模拟了翼伞-载荷两体之间操纵情况下的运动性能,研究了雀降操纵下翼伞系统的速度、姿态变化,数值结果和文献规律一致,滑翔比最大误差为8.20%。其次,基于该两体模型,以最小垂直着陆速度为优化目标,采用时间二分法确定最优雀降高度,分析了雀降操纵时机对着陆速度的影响。然后,开展了不同初始工况、翼载荷、着陆海拔高度、安装角下翼伞系统最优雀降实施的仿真计算,并采用最小二乘法完成了相对雀降高度、着陆速度的公式拟合。结果表明:初始参数对相对雀降高度几乎没有影响;随着翼载荷及着陆海拔高度的升高,着陆速度及相对雀降实施高度增加;安装角对着陆速度影响不大,但安装角的增大会引起雀降实施高度增加;所提出的相对雀降高度和着陆速度计算模型与仿真结果较为符合,最大误差小于4.00%,表明该计算模型有良好的适用性。

基于LBM的翼伞伞型曲面化气动特性研究

翼伞是应用于空降空投领域的一类重要气动减速装置,该文总体目标为采用格子玻尔兹曼方法研究不同翼伞曲面化伞型的气动仿真特性。在进行与试验数据的验证后,仿真分析不同伞型的气动曲线,得到其变化趋势和系数值差异。进行详细的流动特性分析对不同伞型的气动特性差异原因,还分析气室、小孔2种气流结构对气动特性的影响。采用传统有限元方法进行补充解释分析。结果充分证明格子玻尔兹曼方法进行翼伞气动仿真的可靠性。加入曲面化的伞型其升阻特性有明显提高,同时反映出气动特性的鲁棒性。气室结构对升阻特性提高有较大影响,而小孔结构影响程度较小。上述结论对翼伞试验和仿真研究具有重要的借鉴和指导意义。

非侵入式翼伞组提带张力测量传感器的设计

实时掌握并安全稳定地测量翼伞组提带张力大小,探究组提带张力与翼伞姿态的反馈关系,对翼伞研究非常重要。为解决目前翼伞组提带张力传感器量程小、结构复杂,以及破坏组提带结构等问题,本文设计了一种体积小、易于安装和拆卸、对翼伞组提带结构无破坏的双臂梁旁压式大量程张力传感器。本文使用SolidWorks对传感器弹性体进行建模,并使用ANSYS有限元分析软件对其进行静力学分析与模态仿真分析,通过分析结果对传感器弹性体模型的结构进行调整优化,从理论上证明传感器弹性体结构设计的合理性。设计了以STM32为主控芯片的信号采集系统,完成张力信号的采集、数据处理和数据存储等功能。使用拉力机对设计的翼伞组提带张力传感器实物进行多次测试,试验结果表明所设计的张力传感器具有高结构强度、高精度、良好的线性度以及重复性,满足对翼伞组提带张力的无损测量需求。

基于原始自然算法的翼伞航迹规划研究

翼伞是一种对外部环境敏感性高的飞行器,在翼伞航迹规划中,需要考虑到风速和风向的变化以及地形高度的变化等因素来规划最优航迹。论文根据翼伞质点模型,对航迹规划中的约束进行数字化处理,包括风场、地形、威胁区、转弯半径等约束;将原始自然算法应用于翼伞航迹规划中并仿真验证了算法的合理性。相比于传统的航迹规划方法,基于原始自然算法的翼伞航迹规划技术具有更高的效率和更好的安全性,可以同时考虑多种外部因素干扰,以更好地适应不同的飞行环境。

基于双线性ADRC的翼伞系统三维航迹跟踪控制

目前翼伞系统的航迹跟踪主要针对二维路径,对于三维航迹跟踪的研究不多。针对翼伞系统6-DOF模型,采用具有天然解耦属性的自抗扰控制策略,设计一种基于双线性ADRC(B-ADRC)的三维轨迹跟踪控制方法。在水平面与纵向设计制导率与控制器,实现姿态与轨迹位置的跟踪,并对轨迹跟踪误差进行实时修正。跟踪过程中,将理想轨迹离散化获得一系列参考点,通过点切换的方式实现了复杂轨迹的跟踪。实验结果表明:所设计的双线性ADRC控制器能够实现对三维航迹的跟踪,具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

基于模型预测控制的翼伞航迹跟踪

翼伞是一种既可以在空中展开又可以在地面折叠的伞状装置,其具有的高度不稳定性和复杂气动特性给翼伞控制带来了很大挑战。本文提出了一种基于模型预测控制(MPC)的翼伞航迹跟踪控制方法。首先,建立了翼伞运动学和动力学模型,包括了翼伞的位置、速度、加速度等状态变量,以及翼伞运动受到的气动力和气动力矩。然后,采用模型预测控制方法,利用已知的翼伞模型和环境模型进行预测,通过优化算法计算出最优的控制输入,实现对翼伞航迹的跟踪控制。最后,通过仿真试验验证了所提出的控制方法的有效性。相比传统的翼伞跟踪方法,本文提出的方法显示出更优的跟踪性能,该方法能够有效抑制外部扰动的影响,具有良好的控制精度及鲁棒性,有一定的工程应用价值。

动力翼伞风扰补偿高度控制方法

外界风场是影响翼伞高度跟踪精度的最主要扰动因素。针对该问题,建立了动力翼伞的八自由度模型,并在传统自抗扰控制的基础上,设计一种基于风场前馈补偿的改进抗扰控制器,对外界的风场干扰进行针对性补偿,实现翼伞系统的高度跟踪控制。在通过仿真实验对控制器进行初步验证的基础上,进行了翼伞系统的实际飞行实验。在实际飞行环境下,仿真中所调节的控制器参数可直接应用于实际飞行实验,翼伞系统的平均高度跟踪误差在2.5 m以内,证明所设计的控制器存在一定的实际应用价值。

翼伞系统自主归航的关键技术研究综述

探究翼伞系统的建模、航迹规划和轨迹跟踪控制三项关键技术,以支撑翼伞系统的自主归航在大规模装备空投补给、运载火箭助推器回收和自然灾难救援等场合的广阔应用前景。通过调研国内外翼伞系统的发展,对其三项关键技术的基本原理、常用方法和前沿技术进行对比分析和归纳概括,重点包括翼伞系统在复杂环境下的柔性建模技术和障碍空间内的航迹规划技术以及基于智能控制策略的轨迹跟踪技术。对翼伞系统自主归航关键技术的未来发展趋势进行总结和展望,有助于对翼伞系统的自主归航研究形成总体性认知并掌握其发展动向,将对后续翼伞系统自主归航的研究具有启示作用和借鉴价值。

翼伞空投机器人系统的六自由度仿真

以灾难环境下翼伞空投机器人系统为背景,建立了翼伞系统六自由度的简化运动模型,针对预选的某伞型对该翼伞系统进行了动力学仿真。设置了常值侧风的仿真环境,分析了风对系统的影响,得出了翼伞的转弯、雀降等重要性能的参数,提供了验证控制算法的仿真基础,为设计实际控制系统提供理论依据。

翼伞技术研究的最新发展

当今美国对翼伞的研究非常活跃,涉及的面非常广,内容也很丰富,其中包括研制特种新型翼伞、空投重物的大面积翼伞、用GPS(全球定位系统)为导航仪的定点着陆控制技术、翼伞操纵训练的计算机仿真、翼伞的竞技运动及其他应用技术等。文中将重点介绍三项可借鉴的最新成果。首先,介绍一种新概念的全封闭前缘后掠翼伞,内容涉及到该种翼伞的展弦比、结构参数、材料、开伞、充气动态性能、有效载荷、机动性等。其次,介绍模拟机的研制,该机成为跳伞运动员专业教学训练的新工具,还可为先进的精确机载回收系统提供仿真,从而有机会全面了解风、有效载荷对控制的影响。最后,介绍在美国高滑翔回收系统中,具有新里程碑意义的GS—750—1翼伞,由于不断的改善性能,提高精度,从而能自动降落到离中心目标100m之内的地方。

翼伞雀降技术

雀降是翼伞的一种重要性能,在本质上是一种小心操纵的动力失速,使回收系统以最小的速度着陆,降低着陆冲击,实现定点着陆。文章简要介绍了翼伞雀降技术的概念、雀降的典型过程和影响雀降性能的主要因素。目前有限元模拟技术已经用于大型冲压翼伞的雀降技术研究中。随着回收载荷和空投物质量的增加,原来用于翼伞雀降的伺服机构已不再适用,各国正在寻找新的动力源或方法来实现自动雀降。

基于伪谱法的翼伞系统归航轨迹容错设计

针对翼伞系统在归航过程中,控制电机工作异常致使控制性能发生变化,无法按原有规划轨迹到达目标点的问题,提出一种基于Gauss伪谱法的归航轨迹容错设计方法.首先根据翼伞系统控制特性的不同,分别建立了正常和单电机异常工作状态下的质点模型,并根据伞形参数确定了两种工作状态下的约束条件和目标函数;其次,利用Gauss伪谱法分别对两种工作状态下轨迹规划的最优控制问题求解,获得翼伞系统不同状态下的最优飞行轨迹.仿真结果表明,在约束情况下,翼伞系统无论在正常和单电机异常工作时都可以顺利到达目标点,获得高精度的飞行轨迹.

精确定点归航翼伞控制系统的研究

采用嵌入式归航控制器、双天线GPS定位定向仪、无线数传机、大力矩直流伺服电机等设备,自主设计归航控制、落点预置、遥控通讯和GPS数据处理等软件,研制具有自动归航和人工遥控归航2种工作模式的精确定点归航翼伞控制系统。其中,在自动归航模式下系统根据GPS收到的位置航向等信息控制翼伞向预设目标点靠近;而在人工遥控的模式下,由地面操作人员通过地面控制计算机发送无线遥控指令控制翼伞归航。对该控制系统进行系统地面联试和负载试验的验证。研究结果表明:本研究提供的控制系统满足了可控翼伞定点归航的需要。

翼伞系统最优归航轨迹设计的敏感度分析方法

本文对三自由度翼伞系统归航轨迹优化问题进行了研究,采用控制变量参数化与时间尺度变换相结合的优化算法对翼伞系统的最优控制问题进行数值求解.该方法是基于灵敏度分析的优化算法,将控制量以及控制量转换时间转化为一系列参数优化问题同时进行求解.仿真结果表明,相对于基于两端边值优化算法而言,灵敏度分析法只需要正向积分进行求解,因而具有计算简单、耗时短等优点,其控制效果良好,距离偏差和方向偏差均满足实际需求,有效地提高了翼伞系统的着陆精度,验证了该优化算法的可行性.

翼伞—载荷系统多体动力学仿真分析

翼伞具有良好的滑翔性、操纵性和稳定性,广泛应用于航天器精确着陆和定点回收。为进行归航控制算法设计,需对翼伞系统动力学特性进行深入研究。以一般翼伞-载荷系统为研究对象,采用拉格朗日乘子法建立了两体8自由度动力学仿真模型,对3个飞行工况进行了仿真分析,结果与相应的空投试验数据基本吻合,验证了仿真模型的有效性。

航天器翼伞精确回收技术发展及展望

翼伞精确回收技术能够实现安全、精确的定点着陆,具有很高的应用价值和广阔的发展前景,在民用、军用领域已得到了广泛的应用。受限于航天应用的复杂性和特殊性,翼伞精确回收技术在航天领域的应用门槛更高,研究难度更大,因而应用较少。随着航天活动的不断开展和应用的不断扩展,航天器精确定点回收的需求日益迫切,开展航天器翼伞精确回收技术研究是回收着陆专业未来发展的方向和趋势。文章通过调研国际上该领域发展情况及差距分析,初步规划了技术路线,拟通过设计、仿真、试验互相迭代实现关键技术的理论突破,在工程应用中不断提高系统的成熟度和可靠性,使其最终用于载人航天器的精确回收。

火箭助推器翼伞回收动力学仿真与试验分析

翼伞具有良好的滑翔性、操纵性和稳定性,能够解决火箭助推器落点散布大导致的安全性问题。为对翼伞回收系统和控制系统进行优化设计,以基于可控翼伞回收技术的火箭助推器–控制平台—翼伞多体飞行系统为研究对象,采用拉格朗日乘子法建立了三体组合10自由度多体动力学仿真模型,考虑了翼伞的表观质量特性和火箭助推器的气动力影响,对某次空投飞行试验进行了动力学过程仿真重建,通过仿真与试验的对比分析飞行机理和系统性能。分析结果表明,翼伞系统间存在多体相对运动,必须采用多体动力学模型进行研究;机动飞行时,火箭助推器与翼伞间的相对运动角度并不大,而且火箭助推器的大尺寸对相对偏航运动的影响也并不显著;航向跟踪误差主要来自操纵效率低,在小角度航向跟踪误差时,需提高操纵控制增益。研究成果可以为翼伞系统的工程设计与应用提供参考。