不同動(dòng)壓下雙引導(dǎo)減速傘拉直過程的數(shù)值仿真

張明亮 高普云 程文科 岳健

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不同動(dòng)壓下雙引導(dǎo)減速傘拉直過程的數(shù)值仿真

張明亮 高普云 程文科 岳健

（國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073）

減速傘拉直過程是返回艙回收著陸工作的重要一環(huán)。單、雙引導(dǎo)傘均可以拉直減速傘，兩者結(jié)構(gòu)不同，拉直效果也不同。雙引導(dǎo)傘是在單引導(dǎo)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的一種深化，雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是可以在不同動(dòng)壓下拉直減速傘，比單引導(dǎo)傘更加安全可靠。文章對此進(jìn)行了分析和研究。首先基于彈簧質(zhì)量阻尼原理，建立了雙引導(dǎo)減速傘拉直過程的動(dòng)力學(xué)分析模型，對其從低到高多種動(dòng)壓下的拉直過程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。然后選擇低動(dòng)壓和高動(dòng)壓中兩種情況的拉直過程進(jìn)行分析，研究了雙引導(dǎo)減速傘的工作原理，并與相同條件下單引導(dǎo)減速傘的拉直過程進(jìn)行了對比。最后，從拉直時(shí)間和引導(dǎo)傘拉力兩方面研究了不同動(dòng)壓對單、雙引導(dǎo)下減速傘拉直過程的影響。結(jié)果表明：雙引導(dǎo)減速傘可以適應(yīng)不同動(dòng)壓，能夠安全拉出減速傘；與單引導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，雙引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在低動(dòng)壓下拉力大，拉出時(shí)間短，高動(dòng)壓時(shí)拉力小，傘繩不易損壞，更加安全。該結(jié)論對回收著陸過程中減速傘結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

單引導(dǎo)結(jié)構(gòu) 雙引導(dǎo)減速傘 拉直過程 數(shù)值仿真 動(dòng)壓 回收著陸

0 引言

隨著載人航天技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，回收著陸分系統(tǒng)也越來越完善。目前載人回收系統(tǒng)中減速傘多以單引導(dǎo)傘拉直，如美國的載人飛船，我國的“嫦娥”系列等，而我國的“神舟”系列飛船回收系統(tǒng)中減速傘則是采用雙引導(dǎo)傘拉直的[1]。

降落傘拉直過程比較復(fù)雜，上世紀(jì)70年代，Wolf[2-3]提出了連續(xù)拉直模型，對降落傘拉直過程的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。但是這種模型假定拉直過程中傘繩始終保持直線狀態(tài)，僅適用于拉直方向與流場速度方向一致的理想情況，但實(shí)際上由于風(fēng)場、攻角等方面的影響，這一假設(shè)很難實(shí)現(xiàn)。Moog[4]提出了“繩弓”的概念，并采用三個(gè)相互之間由彈簧連接的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)表示已拉出的傘繩傘衣，較好地模擬了“海盜號”探測器拉直過程中傘繩的彎曲現(xiàn)象，但由于模型過于簡單，仿真所得拉直力誤差較大。80年代，Purvis[5-7]在充分考慮氣動(dòng)力、拉力、重力以及摩擦力對拉直過程影響的基礎(chǔ)上，將降落傘離散為由彈簧阻尼連接的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，并用這一模型分析了降落傘的拉直過程，與試驗(yàn)結(jié)果的對比表明，該模型能夠很好的模擬拉直過程中傘繩傘衣的彎曲現(xiàn)象。Purvis的模型后來被用于Sandia試驗(yàn)室開發(fā)的降落傘拉直過程仿真軟件[8]。在國內(nèi)，宋旭民、程文科、張青斌、王海濤、余莉、榮偉等人分別對彈簧質(zhì)量阻尼模型、多剛體模型等建模方法進(jìn)行研究，并就單引導(dǎo)式降落傘的拉直過程、“繩帆”現(xiàn)象、拉直力以及超聲速下無引導(dǎo)減速傘的彈射拉直等方面進(jìn)行了深入分析[9-20]。

單引導(dǎo)減速傘僅有一個(gè)引導(dǎo)傘，結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)動(dòng)壓較小時(shí)，減速傘可能會(huì)因?yàn)槔K索張力不足而拉直失??；動(dòng)壓較大時(shí)，減速傘繩索可能會(huì)因?yàn)閺埩^大而斷裂失效。所以無法同時(shí)滿足逃逸求生、高速著落等情況的需求。相比單引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雙引導(dǎo)載人減速傘更加安全可靠。因?yàn)樵摐p速傘包含大小兩個(gè)引導(dǎo)傘，引導(dǎo)傘之間用限力連接帶連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)動(dòng)壓較小時(shí)，大引導(dǎo)傘張開拉減速傘，大引導(dǎo)傘氣動(dòng)阻力面積大，可以保證減速傘順利拉直；當(dāng)動(dòng)壓較大時(shí)，大引導(dǎo)傘展開后，限力連接帶會(huì)因拉力過大而斷裂，大引導(dǎo)傘就會(huì)脫離減速系統(tǒng)，此時(shí)小引導(dǎo)傘就會(huì)展開工作，小引導(dǎo)傘氣動(dòng)阻力面積小，可以在確保繩索安全的情況下順利拉直減速傘。而目前國內(nèi)外大多是對于單引導(dǎo)減速傘的研究，雙引導(dǎo)減速傘方面的研究極少，因此有必要對雙引導(dǎo)減速傘進(jìn)行研究。

本文以某型號航天器回收著陸過程中的雙引導(dǎo)減速傘為對象，對其從低到高多種動(dòng)壓情況下的拉直過程進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算和研究分析，并與單引導(dǎo)減速傘進(jìn)行比較。所得結(jié)論為回收著陸過程中減速傘結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)提供一定的參考。

圖1 單引導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意

圖2 雙引導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意

1 雙引導(dǎo)減速傘的建模

單、雙引導(dǎo)減速傘的建模方法基本相同。其中返回艙、傘艙蓋可視為六自由度剛體，引導(dǎo)傘傘包、減速傘傘包采用變質(zhì)量的三自由度剛體模擬。引導(dǎo)傘以及減速傘則視為柔性繩索，將傘繩、傘衣離散為段，繩段的質(zhì)量集中在兩端（即節(jié)點(diǎn)處），相鄰節(jié)點(diǎn)通過彈簧阻尼連接，且只有當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)距離大于繩段原長時(shí)才會(huì)產(chǎn)生拉力。

雙引導(dǎo)傘結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要判斷大引導(dǎo)傘是否脫離。高動(dòng)壓情況下其拉直減速傘的過程主要包括傘艙蓋的彈出、傘艙蓋拉引導(dǎo)傘包、大小引導(dǎo)傘拉直、大引導(dǎo)傘工作并脫離、小引導(dǎo)傘工作拉減速傘等一系列復(fù)雜動(dòng)作；在低動(dòng)壓時(shí)，大引導(dǎo)傘展開后會(huì)一直工作并拉出減速傘。

1.1 返回艙、傘艙蓋的運(yùn)動(dòng)方程

返回艙、傘艙蓋部分視為六自由度剛體，采用剛體動(dòng)力學(xué)方程描述。根據(jù)克希霍夫方程，一般剛體在其體坐標(biāo)系中的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為如下的旋量形式：

1.2 引導(dǎo)傘傘包、減速傘傘包的運(yùn)動(dòng)方程

兩種傘包的均采用變質(zhì)量的三自由度剛體模擬，它們的動(dòng)力學(xué)方程如下

式中B為傘包質(zhì)量；B為傘包在慣性系中的速度矢量；B為拉傘包過程中合外力矢量，主要包括傘包重力、傘包連接帶中拉力、傘包氣動(dòng)力；L為正在展開部分的質(zhì)量線密度，并認(rèn)為連接帶、傘繩各自的質(zhì)量分布是均勻的，傘衣的質(zhì)量分布是線性減小的，傘衣底邊處最大，傘頂處為0。

1.3 大小引導(dǎo)傘以及減速傘的運(yùn)動(dòng)方程

大小引導(dǎo)傘以及減速傘的運(yùn)動(dòng)方程是相同的，以減速傘為例進(jìn)行說明。采用多質(zhì)量節(jié)點(diǎn)阻尼彈簧模型需要對減速傘進(jìn)行離散化，將傘繩、傘衣離散為段，繩段的質(zhì)量集中在兩端，即節(jié)點(diǎn)處，相鄰節(jié)點(diǎn)通過彈簧阻尼連接，且只有當(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)距離大于繩段原長時(shí)才會(huì)產(chǎn)生拉力。圖3為降落傘繩段模型，在降落傘的拉直過程中，根據(jù)拉出狀態(tài)不同，可以將節(jié)點(diǎn)分為三種狀態(tài)：已經(jīng)拉出節(jié)點(diǎn)、正在拉出的節(jié)點(diǎn)以及傘包中未拉出的節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖3 降落傘繩段的模型

圖4 拉直過程中降落傘節(jié)點(diǎn)的分布

已經(jīng)拉出的降落傘節(jié)點(diǎn)在氣動(dòng)力、拉力、重力的作用下運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

式中為已拉出部分的節(jié)點(diǎn)編號；m為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；v為該節(jié)點(diǎn)在慣性系中的速度矢量；G為重力；a,i為所受氣動(dòng)力；T與T1分別為與該節(jié)點(diǎn)相連的前后兩段繩索微元中的張力。

正處于被拉出狀態(tài)的降落傘節(jié)點(diǎn)主要受到前一節(jié)點(diǎn)拉力，摩擦力及捆綁約束力作用，其動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：

式中f,i為節(jié)點(diǎn)與傘包之間的摩擦力；cs,i為節(jié)點(diǎn)捆綁約束力。

降落傘未拉出傘包的節(jié)點(diǎn)跟隨傘包一起運(yùn)動(dòng)，因此可以將其動(dòng)力學(xué)方程表示為：

1.4 大引導(dǎo)傘是否脫離的判斷

雙引導(dǎo)傘拉直減速傘的判斷，取決于限力連接帶所受最大拉力c與其額定載荷cs的大小關(guān)系。大引導(dǎo)傘展開之后，如果c≤cs，則大引導(dǎo)傘不脫離，并拉出減速傘，期間小引導(dǎo)傘不展開；如果c>cs，則大引導(dǎo)傘脫離，之后小引導(dǎo)傘展開，拉直減速傘。而單引導(dǎo)傘拉直減速傘不需要判斷。

2 模型驗(yàn)證

利用上述建模方法，對地球環(huán)境下試驗(yàn)?zāi)硞愕目胀哆^程進(jìn)行仿真分析。

圖5為兩個(gè)時(shí)刻減速傘的仿真位形與空投錄像的對比圖，可以看出仿真結(jié)果能夠在一定程度上預(yù)測和復(fù)現(xiàn)空投結(jié)果，因此該模型可以對減速傘的拉直過程進(jìn)行仿真分析。

圖5 仿真結(jié)果與空投錄像的對比

3 仿真結(jié)果與分析

雙引導(dǎo)減速傘與單引導(dǎo)減速傘的區(qū)別在于雙引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)動(dòng)壓環(huán)境選擇大、小引導(dǎo)傘來拉直減速傘，提高拉直過程的安全性。

本文以某型號飛船回收著陸系統(tǒng)中雙引導(dǎo)載人減速傘為例進(jìn)行仿真分析，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)上述建模方法，大引導(dǎo)傘總長度約5.2m，劃分為13個(gè)單元；小引導(dǎo)傘總長度約13.0m，劃分為26個(gè)單元；減速傘為17.7m，劃分為34個(gè)單元。其中大引導(dǎo)傘名義面積4.25m2，小引導(dǎo)傘為0.7m2，大小引導(dǎo)傘之間限力連接帶帶額定載荷為7.35kN。該減速系統(tǒng)拉直初始條件如下：返回艙高度11km，彈道傾角56°，攻角–20°，傘艙蓋彈射分離速度22m/s，返回艙的動(dòng)壓在1~10kPa之間取值。

圖6 雙引導(dǎo)減速傘的結(jié)構(gòu)示意

圖7為不同動(dòng)壓下減速傘系統(tǒng)的位形情況。圖7（a）為10kPa動(dòng)壓下減速傘拉直過程的位形變化。其中0.336s之前是傘艙蓋彈出拉出大小引導(dǎo)傘的過程，該過程中傘繩出現(xiàn)明顯彎曲，即“繩帆”現(xiàn)象，而且隨著大小引導(dǎo)傘的拉出這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重，這不利于后續(xù)減速傘的充氣；大小引導(dǎo)傘拉出之后，引導(dǎo)傘包和傘艙蓋脫離，大引導(dǎo)傘展開并迅速拉直傘繩，如圖7（a）中0.40s和0.42s所示；隨著傘繩的拉直，大小引導(dǎo)傘之間的限力連接帶受力超過額定載荷，大引導(dǎo)傘脫離，最后小引導(dǎo)傘展開拉出減速傘，如圖7（a）中0.45~0.792s位形圖所示。拉直過程持續(xù)0.792s，且減速傘在大小引導(dǎo)傘的作用下，逐漸被拉直，“繩帆”現(xiàn)象逐漸減弱。

圖7（b）為2kPa動(dòng)壓下減速傘拉直過程的位形變化。該拉直過程動(dòng)壓較小，限力連接帶受力沒有超過額定載荷，減速傘在大引導(dǎo)傘的作用下拉直，拉直過程持續(xù)1.136s。

為了進(jìn)一步研究雙引導(dǎo)減速傘模型中大小引導(dǎo)傘工作的優(yōu)勢，本文針對相同情況下單引導(dǎo)減速傘（單引導(dǎo)傘面積1.8m2）的拉直過程作了比較。圖8為兩種引導(dǎo)傘在拉直過程中對于減速系統(tǒng)的拉力隨時(shí)間的變化曲線，在引導(dǎo)傘展開之前，兩者的拉力基本一致，但是引導(dǎo)傘工作之后，拉力相差比較明顯。圖8（a）為高動(dòng)壓情況，其中單引導(dǎo)傘拉力達(dá)到11.7kN，而雙引導(dǎo)傘的拉力峰值僅為6.2kN。圖8（b）為低動(dòng)壓情況，其中單引導(dǎo)傘拉力僅為2.6kN，而雙引導(dǎo)傘的拉力峰值達(dá)到4.3kN?？梢钥闯?，高動(dòng)壓情況下雙引導(dǎo)傘對減速系統(tǒng)拉力小，傘繩不易斷裂，比較安全；低動(dòng)壓情況下雙引導(dǎo)減速傘拉力大，可以更有效的拉出減速傘。

本文通過仿真計(jì)算，研究了不同動(dòng)壓下單、雙引導(dǎo)傘拉直減速傘的規(guī)律。圖9是不同動(dòng)壓下減速傘的拉直時(shí)間曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，單引導(dǎo)減速傘的拉直時(shí)間基本是隨著動(dòng)壓的增大而減小，而雙引導(dǎo)減速傘的拉直時(shí)間曲線在3.5kPa左右存在一個(gè)階躍。這是因?yàn)樵?.5kPa左右，大引導(dǎo)傘展開后限力連接帶的最大拉力c大于其額定拉力7.35kN，限力連接斷裂，大引導(dǎo)傘脫離，小引導(dǎo)傘拉直減速傘，導(dǎo)致拉直時(shí)間增加。比較兩種減速傘的拉直時(shí)間曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)壓小于3.5kPa時(shí)，雙引導(dǎo)傘拉直減速傘，拉直時(shí)間短，效率高；當(dāng)動(dòng)壓大于3.5kPa時(shí)，雙引導(dǎo)減速傘拉直過程時(shí)間略長于單引導(dǎo)傘，但拉直時(shí)間保持在1.15s以下。

圖10為不同動(dòng)壓下引導(dǎo)傘對減速傘的拉力峰值曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，單引導(dǎo)減速傘中引導(dǎo)傘拉力峰值隨著動(dòng)壓的增加不斷增大，出現(xiàn)了低動(dòng)壓拉力小，高動(dòng)壓拉力過大的情況。而雙引導(dǎo)傘在1~4kPa和6~10kPa區(qū)間內(nèi)的拉力峰值也是隨著動(dòng)壓增加而增大，但是相對單引導(dǎo)傘，在低動(dòng)壓時(shí)，大引導(dǎo)傘拉直減速傘拉力大，可以確保減速傘順利拉出；高動(dòng)壓時(shí)，小引導(dǎo)傘拉直減速傘，可以確保拉直力在合理范圍內(nèi)。當(dāng)動(dòng)壓為1~3.4kPa時(shí)，雙引導(dǎo)傘拉力峰值均是在大引導(dǎo)傘工作時(shí)取得；當(dāng)動(dòng)壓為3.5~4kPa時(shí)，大引導(dǎo)傘工作后脫離，但是拉力峰值在大引導(dǎo)傘從展開到脫離這段時(shí)間內(nèi)已經(jīng)取得；當(dāng)動(dòng)壓為6~10kPa時(shí)，大引導(dǎo)傘迅速脫離，拉力峰值是在小引導(dǎo)傘工作后取得，所以6kPa時(shí)候的拉力峰值小于4kPa，拉力峰值曲線在4~6kPa之間出現(xiàn)過渡。

圖7 不同時(shí)刻減速傘系統(tǒng)的位形

圖8 不同引導(dǎo)傘對于減速系統(tǒng)的拉力

圖9 不同動(dòng)壓下減速傘的拉直時(shí)間

圖10 不同動(dòng)壓下引導(dǎo)傘的拉力峰值

4 結(jié)束語

本文建立了雙引導(dǎo)載人減速傘的動(dòng)力學(xué)模型，并以某型號航天器回收著陸過程中的雙引導(dǎo)減速傘為對象，研究了不同動(dòng)壓下雙引導(dǎo)傘的拉直過程，并與相同情況下單引導(dǎo)減速傘拉直過程的拉力進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明：雙引導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同動(dòng)壓，能夠安全拉出減速傘；與單引導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，雙引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在低動(dòng)壓下拉力大，拉出時(shí)間短，高動(dòng)壓時(shí)拉力小，傘繩不易損壞，更加安全。該結(jié)論對回收著陸過程中減速傘結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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Numerical Simulation of Double-guided Parachute Deployment under Different Dynamic Pressure

ZHANG Mingliang GAO Puyun CHENG Wenke YUE Jian

（College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）

The process of parachute deployment is an important phase of the return capsule recovery and landing work process. Single and double guided structures can deploy the parachute, but two structures are different, deployment effect is also different. The double-guided parachute is an optimization design based on single-guided structure. It is relalively complicated, but it can be deployed under different dynamic pressure, which is more secure and reliable than the single one. The paper has carried on the research to this problem. First, a dynamic analysis model of the double-guided parachute deployment is developed based on the spring mass damping principle. The numerical simulations of the parachute deployment process are carried out under different dynamic pressure from low to high. Then, the deployment processes under high and low dynamic pressure are selected and analyzed to study the working principle of the double-guided parachute, and compared with the single-guided parachute. Finally, the effect of dynamic pressure on the process single and double guided parachute is studied from the deployment time and the tension of the guide structure. The result shows that the double-guided parachute can deploy successfully under different dynamic pressure. when the dynamic pressure is low, the tension is bigger and the deployment time is shorter than the single-guided structure. When the dynamic pressure is high, the tension is smaller and the structure will be more secure. The conclusion can provide important reference value for selection and design of the parachute structure during recovery and landing.

single-guided structure; double-guided parachute; process of parachute deployment; numerical simulation; dynamic pressure; recovery and landing

V445.23

A

1009-8518(2018)05-00010-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.002

張明亮，男，生于1989年，國防科技大學(xué)力學(xué)博士生。研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。E-mail：haizhilan0106@126.com。

2018-01-04

（編輯：劉穎）