翼伞系统纵向飞行性能分析

《翼伞系统纵向飞行性能分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2015年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnolog—y—25翼伞系统纵向飞行性能分析陈建平张红英童明波(南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016)摘要翼伞系统的飞行性能不仅取决于翼伞本身的气动特性，而且与安装角、伞绳长度、回收物阻力特征、翼栽荷等系统参数密切相关。文章应用拉格朗日方程建立翼伞系统的纵向飞行力学模型，对翼伞系统进行飞行力学数值仿真，深入分析了系统参数以及开伞状态对翼伞系统纵向飞行性能的影响规律。结果表明：只有安装角在0。～20。时，翼伞系统才能达到稳定的滑翔状态，

2、且安装角在4。～6。时对应两个稳定的滑翔状态，具体由开伞姿态和速度决定；伞绳特征长度的增加使系统的静稳定性增加；回收物的阻力特征增加6m2，翼伞系统的稳定滑翔角增加15。左右，而迎角减小不到1。；翼伞飞行速度随着翼载荷的增加而增加，其平方与回收物质量成正比。上述结论可为翼伞系统的工程实际应用提供参考。关键词翼伞系统；飞行力学；性能分析；动力学建模；数值仿真D01：10．3780／j．issn．i000—758X．2015．02．0041引言翼伞系统具有优良的滑翔性能、稳定性和操纵性，能实现物资、人员和飞行器等的安全、精确空投和回收

3、，广泛应用于航空航天、军事和民用等各个领域[1。4]。早在1995年，美国就开始了乘员返回飞行器(CRV)，即后来的X-38原型机的研究。X一38原型机由试验器和翼伞系统组成，其中翼伞系统使试验器减速，最终以允许的速度降落在预定的地点[5]。为此，国内外许多学者进行了深入的研究，文献E6]和E7]分别研究了翼伞附加质量和附加质量惯性矩的计算方法以及翼伞平面形状对翼伞气动性能的影响，但没有进一步讨论上述因素对飞行性能的影响。文献[8—9]采用分岔理论得到了安装角对翼伞系统稳定性的影响。文献[10]建立了小展弦比翼伞空投系统的六自由度

4、模型，分析了系统对控制的响应规律。文献[1l一13]对翼伞系统的航迹规划和跟踪控制问题进行了研究，但均未研究伞绳长度、回收物阻力特征、翼载荷(回收物质量)等系统参数以及开伞状态对翼伞系统飞行特性的影响。针对上述情况，本文应用拉格朗El方程建立翼伞系统的纵向飞行动力学方程，对翼伞系统进行飞行动力学数值仿真研究，深入研究安装角、伞绳长度、回收物阻力特征、翼载荷等系统参数以及开伞状态对翼伞系统纵向飞行性能的影响规律，获得了关于系统参数影响其纵向飞行性能的有关结论，对翼伞系统的设计、控制和应用具有工程参考意义。2纵向飞行力学模型2．1基本

5、定义翼伞系统由翼伞和回收物组成，如图1所示。翼伞和回收物通过伞绳汇交点P。相连，翼伞的国家自然科学基金(11002070)，航空科学基金(2012ZC52035)资助项El收稿日期：2014-09—15。收修改稿日期：2014-11一0526中国空间科学技术2015年4月安装角定义为伞衣底边的垂线与翼伞的质心0。和P。点连线之间的夹角舻。本文只研究翼伞系统在纵向对称面内的运动，并假设翼伞充满后具有固定的外形。为了考虑翼伞和回收物的相对运动，将汇交点P。简化为铰链。坐标系定义如下：大地坐标系O。z。Y。、翼伞连体坐标系O。5C。Y，

6、、翼伞气流坐标系O。z，。Y。。、回收物连体坐标系Ob“Y。和回收物气流坐标系O。“。Y。。。其中，翼伞和回收物的质心O。和0。相对0。的位置分别为r。=(工，Y，)7和“一(“Y。)T，翼伞的俯仰角、滑翔角和迎角分别为0。、y，和口。，回收物的俯仰角、滑翔角和迎角分别为0b、yb和‰，有口。一曰。+y。，‰一0b+7b。则翼伞连体坐标系O，z。y。和回收物连体坐标系Oe矾Y。关于大地坐标系O。z。Y。z。的方向余弦矩阵A。。和A。。分别为：rcosop—sinop]rco瓯一sinob]一Aep—I。i嗥。。晦I’Ab—Isi砜

7、。。甄I@’图1翼伞系统Fig．1Aparafoil—payloadsystem翼伞的气流坐标系O。工。。Y。。关于连体坐标系O。z，Y。的方向余弦矩阵A。。为A。。一f∞鲰-81脚1(2)pq一『．‘‘l(2)L—S1Flt2pCOStlpJ回收物的气流坐标系Os“。Ys。关于连体坐标系Oe扎Y“的方向余弦矩阵As。为Ab。：l∞鲰681眦6(3)。=1(3)L—slnabCOSabJ定义伞绳的特征长度为翼伞的质心O。至伞绳汇交点P。的距离rpc，连接带的特征长度为回收物的质心O。至伞绳汇交点C的距离，一。。。2．2系统受力分析

8、翼伞系统飞行过程中除受到重力的作用外，在四分之一气动翼弦处(图1中的A点)还受到沿翼伞气流坐标系O。z，。Y，。的气动升力、气动阻力和气动力矩的作用：FpI，一QpCpI．Sp(4)FpD—QpCpDSp(5)F。M—Qp(c，。+c，篆)fSP(