飞船回收过程动力学建模与仿真(弹道学报)

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1、第17卷第2期弹道学报Vol.17No.22005年6月JournalofBallisticsJune2005飞船回收过程动力学建模与仿真宋旭民程文科彭勇秦子增(国防科技大学航天与材料工程学院长沙，410073)摘要在一定简化假设的基础上，导出了旋量形式的降落伞、返回舱运动方程，建立了包括降落伞系统拉直、充气和充满阶段的仿真模型，可对飞船回收全过程进行集成分析.通过对某飞船空投试验的仿真分析以及与试验数据的对比，验证了模型的有效性.给出了主要的模型假设、分析方法和数学模型.该文的建模方法对于一般降落伞系统的仿真分析以及飞船回收系统性能分析具

2、有重要意义.关键词飞船，降落伞系统，动力学建模中图分类号V414.34,V448.15对飞船降落伞回收系统进行动力学仿真一直是系统设计、性能预测和评估的一项重要工具.飞船回收着陆系统一般包含多级降落伞，回收过程中系统结构变化较大，对回收不同阶段需要建立不同模型，建模工作量大，系统工作全过程仿真比较困难.目前有关降落伞系统仿真的文献大都是分析伞的某一工作阶段，不能满足飞船回收降落伞工作全过程综合分析的需要，而且很多模型不能适应飞船降落伞系统的仿真分析.文献[1〕建立了伞一弹系统的全过程分析模型，在稳定下落段，将伞和炸弹简化为一个质点.文献[2

3、,3〕研究了物伞组合体的动力学模型，降落伞和回收物都被简化为刚体，文献[3〕只考虑了回收物轴对称吊挂的情况，文献「2〕没有考虑吊带的弹性.笔者针对飞船回收系统，在一定简化假设的基础上，建立了降落伞工作各阶段系统的仿真模型，完成了降落伞工作全过程的建模分析.通过对某型飞船的回收过程的仿真计算，验证了模型的正确性.本文以该型号飞船为例，介绍了建模的主要假设和基本方法.飞船回收系统工作过程:飞船沿再入轨道返回，在自身气动阻力作用下减速，当高度达10km左右时，降落伞系统开始工作.依次经历减速伞拉直、充气、张满，主伞拉直、充气、张满各个阶段.为了减

4、小开伞过载，各级伞都采用了伞衣收口技术，充气过程分2次完成.1数学模型回收过程中2个拉直过程采用相同模型，其余4个阶段采用相似的模型.在以下的分析中，都采用以下假设:①平面大地;②降落伞和返回舱为六自由度刚体，伞衣带动空气的惯性效应用附加质量来表示，伞包为变质量质点;③吊带为无质量的非线性弹簧.收稿日期:2004-03-31弹道学报第17卷1.1一般刚体的运动方程本文以旋量形式的牛顿一欧拉方程为基础，建立了刚体在流体中运动的运动方程.通过引人附加质量矩阵，使方程可以考虑刚体引起的非定常流体惯性力和力矩，这对于降落伞的运动分析是至关重要的.设

5、〔)XYZ是刚体B的任意连体系，O为原点.v和co是O点的速度和刚体角速度在(XYZ中的坐标列阵.F,M是刚体所受外力的主矢及对O点的主矩在OXYZ中的坐标列阵.则刚体的动力学方程为户=0=沁(1)式中，0二诚2,V是广义速度列阵，V=(vco)T;F是广义力列阵，户=(FM)T.巾是系统的广义惯量矩阵，巾=少。+巾F，必。是刚体的广义惯量矩阵，巾;为附加质量矩阵，代表了由于刚体运动非定常性而引起流体动力分量部分，它可以用一个6X6的对称矩阵来表示。有关附加质量矩阵更详细的讨论可参见文献[4].mEmKT(p,)K(co)巾月=中F=(a,

6、;)6x6v=刀d‘(p})K(v)K(co)其中，E是3X3单位矩阵，p。表示质心在〔)XYZ中的坐标，J是刚体相对于坐标系OXYZ的惯量张量矩阵.对于任意向量a=(a,gay,a,)，定义反对称矩阵K(a)为0一a"a,K(a)=一“二一口v由(1)式可以得到如下形式的动力学方程:v='O-1(户一Vov一砂)(z)如果40的变化率对刚体运动的影响可以忽略则刚体的动力学方程可以写作:v二4-1(户一VOV)(3)(2)式或(3)式联合运动学方程即可得到完整的刚体运动方程，这里不再赘述.上面建立的刚体运动方程是最一般的形式，考虑了附加质量

7、对刚体运动的影响，计算坐标系可以取为刚体的任意关联坐标系.降落伞和返回舱的运动方程都可以在该方程的基础上得到.1.2降落伞的动力学方程假设降落伞在充气和张满过程中，始终保持轴对称形状，压心与伞衣的重心重合.降落伞的连体坐标系原点取为伞衣重心，x轴沿轴线指向伞绳汇交点，如图1所示.附加质量对降落伞系统动力学特性具有重要影响.图1充气、张满阶段系统结构图根据降落伞的对称性，认为必;只有4个独立的非零分第2期宋旭民等飞船回收过程动力学建模与仿真量.本文采用文献[4」的方法确定必;.降落伞受到重力、气动力和吊带对B点的拉力T的作用，其中气动力由试验

8、确定，拉力T的确定方法见下文分析.将伞的广义惯量矩阵和受力代人(2)式，可得降落伞的动力学方程.降落伞全张满时巾变化很小，可取必=0.1.3降落伞的充气过程分析降落伞充气过程是一