降落伞开伞过程的动力学性能分析

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降落伞作为一种气动力减速装置,广泛应用于航天、航空领域,主要有投物伞、人用伞、稳定伞、减速伞等,其试验费用在整个研发费用中占有很大的比例。降落伞的工作过程分为折叠-拉直-充气-稳降四个阶段,其中开伞充气过程最为复杂,也是试验过程中最不可控的阶段。随着计算机技术的快速发展,应用数值模拟技术辅助降落伞研究,无疑是节省研发成本的最佳途径之一。因此,应用数值模拟技术研究降落伞开伞过程的动力学特性,可以有效的控制研发成本,为降落伞研发提供参考依据。  本文以降落伞为研究对象,采用ALE方法,进行了以下几方面的研究:  (1)研究军用伞C-9分别为准三维形态、简化三维形态、全三维形态下的动力学特性。研究发现,准三维维形态和简化三维形态下,数值解略微大于理论解;考虑了综合工况的三维形态,虽然伞衣外形变化规律更加贴合实际情况,但是数值解与理论解的误差达到了25.8%,且数值解小于理论解。伞衣的开伞充气时间不仅与名义直径、充气速度、伞衣透气量等参数有关,还与两伞衣幅之间的间距有关,且伞衣幅间距越大,数值解越接近于理论解。  (2)研究特殊形态降落伞(折叠状态)的动力学特性。研究发现,应用直接矩阵法建立的折叠伞模型,从折叠状态变化到拉直状态所需要的时间短,约为0.12s,拉直阶段流场很少出现大尺度涡结构,而伞衣幅运动以引导伞拉力影响为主,呈松弛状态,结构与流场相互影响较小,在引导伞的拉力作用下,伞衣被带动向上。折痕处区域容易产生畸形单元,且折痕处的单元应变大于其余各处单元。在整个开伞过程中,伞衣顶孔处单元、折痕处单元、和伞绳连接的伞衣幅单元应变波动均大于伞衣其余各处单元。  (3)研究特殊工况下(双伞)的动力学特性。研究发现,当双伞之间的水平间距大于12m,或者竖直间距大于13m时,双伞在救生过程中不会发生充气干涉现象。对于某型号的五环孔双伞来说,B伞在主充气阶段的流场变化,会使A伞顶部区域有一个顺时针旋转的变化趋势。对于折叠形态下的双降落伞来说,B伞从折叠到拉直阶段的流场变化,会使得A伞有一个顺时针旋转的变化趋势。
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