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载人飞船回收系统若干动力学问题的研究与应用

作　者: 彭勇
导　师: 秦子增
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 降落伞 物伞多体系统 充气 转换吊挂 流固耦合 粘性涡方法 尾流再附
分类号: V525
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 381次
引　用: 10次
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内容摘要


本文围绕与载人飞船回收系统安全可靠性紧密相关的几个动力学问题进行了研究,包括:降落伞充气性能的计算、物伞多体系统的动力学建模、吊挂系统的建模、流固耦合充气模型的建模、非流线形物体的绕流计算及尾流再附现象的分析。 通过建立十二自由度的物伞多体系统运动方程及伞衣变形方程,得到了充气过程中物伞多体系统的动力学模型,它能够对充气过程中物伞系统的动力学特性进行细致分析;在Potvin、Sundberg、Purvis等人的工作基础上独立推导了降落伞初始充气模型及主充气模型,这些模型考虑了充气过程中伞衣变形与周围流场的耦合作用,并且在一定程度上描述了伞系统的柔性,能够计算伞衣不同部位的气动力及结构张力:为了进一步完善流固耦合充气模型,本文通过大量编程工作,利用粘性涡方法计算了伞衣内外表面的压力分布,在编程过程中,物面离散、物面涡量的计算、涡量脱落、涡元分裂与合并、快速多极子算法等关键技术得以实现,这些工作初步解决了伞衣周围流场的计算问题,为以后建立更完善的流固耦合充气模型奠定了基础;借鉴Oler的建模思想,推导并建立了充气过程中尾流再附现象的分析模型;提出一种新的吊挂系统建模方法,与以前的建模方法相比,这种方法避免了判断吊带是否松弛的复杂逻辑,而且具有较好的通用性,现已将模型用于航天器回收系统仿真软件中,取得了良好效果。 这些研究为“神舟”号飞船回收系统的分析和评定提供了理论基础。将本文模型应用于“神舟”号飞船回收系统,得到了降落伞的充气性能及伞—舱多体系统的动力学特性,某些计算结果对“神舟”号飞船回收系统的性能评定具有参考意义。

全文目录


图目录  8-11
表目录  11-12
摘要  12-13
ABSTRACT  13-14
第一章 绪论  14-31
  §1.1 工程背景及本文研究目的  14-19
    1.1.1 工程背景  14-16
    1.1.2 本文研究目的  16-19
  §1.2 相关领域的研究状况  19-28
    1.2.1 充气过程研究状况  19-25
    1.2.2 转换吊挂过程研究状况  25-26
    1.2.3 物伞系统飞行动力学研究状况  26-28
  §1.3 本文的研究内容  28-29
  §1.4 本文的研究成果和创新  29-31
第二章 降落伞充气性能的计算  31-49
  §2.1 降落伞的几何描述参数  31-33
  §2.2 伞衣充满条件  33
  §2.3 伞衣阻力面积变化  33-36
    2.3.1 一次充满的伞衣  33-35
    2.3.2 收口伞衣  35-36
  §2.4 伞衣充满时间  36-42
    2.4.1 无收口密实伞衣充满时间的计算  36-40
    2.4.2 无收口开缝伞充满时间的计算  40
    2.4.3 收口伞衣充满时间的计算  40-42
  §2.5 开伞力  42-43
  §2.6 应用算例  43-48
    2.6.1 平面密实圆伞充满时间的计算  43-45
    2.6.2 “神舟”号飞船减速伞充气性能的估算  45-46
    2.6.3 “神舟”号飞船主伞充气性能的估算  46-48
  §2.7 本章小结  48-49
第三章 充气过程中物伞系统的动力学分析  49-67
  §3.1 伞一舱系统的运动方程  49-59
    3.1.1 坐标系定义  49-50
    3.1.2 全充满降落伞的几何参数及质量特性  50-52
    3.1.3 基本假设  52-53
    3.1.4 降落伞的附加惯性  53-54
    3.1.5 降落伞运动方程  54-55
    3.1.6 返回舱运动方程  55-56
    3.1.7 约束方程  56
    3.1.8 弹性模型  56-57
    3.1.9 伞衣阻力面积随时间的变化  57-58
    3.1.10 伞衣附加质量的计算  58
    3.1.11 降落伞转动惯量的计算  58-59
  §3.2 计算结果及模型验证  59-63
  §3.3 “神舟”号飞船伞衣阻力减小时的动力学分析  63-66
  §3.4 本章小结  66-67
第四章 考虑流固耦合的充气模型  67-87
  §4.1 伞系统质量阻尼弹簧模型  67-71
  §4.2 初始充气阶段伞衣周围流场模型  71-75
    4.2.1 基本假设  71-72
    4.2.2 伞衣内部压力分布  72-75
  §4.3 主充气阶段伞衣周围流场模型  75-77
    4.3.1 基本假设  75
    4.3.2 方程推导  75-77
  §4.4 计算结果及分析  77-86
    4.4.1 初始充气模型的结果及分析  77-79
    4.4.2 主充气阶段模型的结果及分析  79-86
  §4.5 本章小结  86-87
第五章 用粘性涡方法计算伞衣绕流  87-121
  §5.1 涡方法的理论基础  87-94
    5.1.1 流体控制方程  88-89
    5.1.2 涡方法  89-93
    5.1.3 物体所受气动力的计算  93-94
  §5.2 涡方法的数值实现  94-109
    5.2.1 物面的离散及物面产生涡量的计算  96-101
    5.2.2 利用快速多极子算法计算各涡元的诱导速度  101-104
    5.2.3 涡元的对流运动  104
    5.2.4 涡元的粘性扩散  104-108
    5.2.5 物面剪切涡量的脱落  108
    5.2.6 物体气动力计算  108-109
  §5.3 方法及计算程序的验证  109-114
    5.3.1 卡门涡街的形成过程  110-111
    5.3.2 圆柱表面压力分布  111-112
    5.3.3 圆柱的阻力系数及升力系数  112-114
  §5.4 伞衣上气动力的计算  114-120
  §5.5 本章小结  120-121
第六章 充气过程中尾流再附现象的动力学分析  121-131
  §6.1 尾流再附现象的动力学模型  121-125
    6.1.1 物伞系统的运动方程  121-123
    6.1.2 伞衣尾流运动方程  123-125
    6.1.3 伞衣与尾流之间的动量传递  125
    6.1.4 方程求解  125
  §6.2 模型验证  125-128
  §6.3 应用算例  128-130
  §6.4 本章小结  130-131
第七章 吊挂系统新的建模方法  131-140
  §7.1 问题描述  131-132
  §7.2 约束方程  132-134
    7.2.1 伞绳节点的力平衡方程  132-133
    7.2.2 中间点的力平衡方程  133-134
  §7.3 方程组的求解  134-135
    7.3.1 张力—应变曲线  134-135
    7.3.2 初始值  135
    7.3.3 迭代算法  135
  §7.4 应用算例  135-139
  §7.5 本章小结  139-140
第八章 总结  140-143
致谢  143-144
攻读博士期间的主要工作  144-145
参考文献  145-154

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天术 > 航天器的发射、控制及返回地球
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