带牵顶伞的大面积环帆伞充气性能分析

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1、第31卷第4期航天返回与遥感2010年8月SPACECRAFrRECOVERY&FUcMOTf=SENSING21-_—II—I—I——I—_—_———————I————————————————一"一一⋯一一——"-●——————l-●I一带牵顶伞的大面积环帆伞充气性能分析尚小娟童明波张红荚(南京航空航天大学航宅宇航学院，南京210016)摘要采用流固耦合的计算方法对带牵顶伞的主伞的充气过程进行了数值模拟，得到了主伞伞衣充气过程外形变化情况，并与试验结果进行了对比；对牵顶伞阻力系数的变化进行了分析，给出了适合工程估算的牵顶伞阻力系数公式。关键词环帆伞牵顶伞流

2、固耦合充气中图分类号：V525文献标识码：A文章编号：1009—8518(20lO)04—0021—06PerformanceAnalysisforInflationofLargeRJngsailParachute、以thAnApexGrogueSIla唱XiaojuanTongMingbozhangHongying(CollegeofAerospaceEIlginee她，NanjingUniversityofAeronauticsandAsu'onalJ．tics，Nanjing210016．China)AbstractBasedonthemethodof

3、fluid-structurecoupling，numericalsimulationhasbeencarriedoutintheinfla—tionprocessformainparachutewithanapexgrogue，andthecanopydeformationduringinflationcallbeobtained，whichWEtScomparedwiththeactualsituation．D嘲coefficientofvariationforapexgrogueisanalyzed，anddIagcoefficientfor-mula

4、estimatedforengineeringispresented．KeywordsFan鲥IparachuteApexgrogueFluid-structurecouplingInflation1引言随着航天技术的发展，载人飞船技术也日益兴起，对其回收系统也提出更高的要求。在航天回收中，环帆伞因具有许多优点而被广泛应用。但是由于载人飞船回收系统采用的降落伞面积大，开伞程序复杂，容易受到伞衣尾流、高空突风等干扰气流的影响⋯。因此，在高速开伞过程中，伞农之间容易出现了摩擦抽打，致使伞衣出现局部强度损失，在后续的充气过程中进一步遭到破坏，而伞衣的局部破损对载人

5、航天回收构成严重的安全威胁，凶此必须采取控制主伞开伞状态的措施，本文着藿研究，在主伞顶部增加一具牵顶伞，以控制主伞开伞状态，降低主伞开伞动载，防止伞农之间的摩擦抽打[2I，并分析充气过程中牵顶伞对主伞充气形状等的影响，得出牵顶伞的充气性能，以便后续的工程应用。2降落伞充气过程的数值模拟降落伞的充气过程是一个复杂的非线性、时变过程，涉及到流体力学和结构力学中几个复杂的现象，包括透气性、非流线型物体的气体动力学、大变形柔性结构的动力学问题、气动弹性力学、物～伞系统快速减速引起的时变流动现象等，理论分析十分困难l31。充气过程决定于伞农底边区域的伞衣幅形状、伞衣品

6、质收稿日期：2010—05—24航天返回与遥感2010年第3l卷以及伞衣的透气性参数。降落伞模型的简化假设：1)整个主充气过程中伞绳部分具有零弯曲刚度，即不发生“绳帆”现象；2)伞的质量集中于伞衣底边中心，伞衣充气过程中，伞的质心相对底边的位置保持不变；3)由于是轴对称伞，在对伞衣质点进行相应处理后，可在伞衣对称面内进行二维流场计算；4)假设伞绳、加强带和伞衣是弹性体，符合虎克定律。【41充气过程的简化假设：1)对称充气；2)假定伞衣已全长拉直并开始进入充气阶段；3)开伞过程中伞顶始终保持球冠形状；4)考虑伞农透气量和伞顶孔的影响。2．1伞衣结构动力学模型降

7、落伞是一个复杂的气动弹性体，具有敞开式织物可拉伸透气结构。一般把降落伞当成是由具有连续性、较小相对厚度和较大变形量的薄膜材料组成。由此，可将降落伞离散为一系列用阻尼弹簧连接的质点，采用质点阻尼弹簧模型来描述伞衣的结构受力。2．2计算流体力学模型降落伞伞衣的厚度很小，远小于伞衣的几何尺度。因此从流体力学的角度来考虑，可以把伞衣看成是薄膜材料，其厚度对流场本质不会产生影响。在对降落伞进行流体力学数值模拟时可以忽略伞衣厚度的影响。由于所关心的是伞衣张开时交界面的压力差，对附面层干扰及涡系结构只作大致丫解。考虑到雷诺平均Navier—Stokes方程所需的计算网格数

8、量小，耗费的计算资源及计算时间都较少，因此，选用雷诺