火箭助推器回收系统初步设计及仿真研究
摘要
对火箭助推器进行回收可以验证和评估助推器的设计、对其进行重复利用以及保护地面建筑和人员的安全等。基于火箭助推器回收的重要意义,本文对火箭助推器回收系统设计与分析中的一些问题进行了研究。在选择和设计降落伞时,充分考虑了火箭助推器的特点和性能,给出了回收系统的初步设计方法,建立了较为详细的仿真模型,并对整个回收过程进行了仿真研究。
论文总结了常规伞和翼伞各自的设计准则,完成了某型火箭助推器回收的常规伞和翼伞两种方案的初步设计,并用简单模型加以验证,说明了设计方法的实用性。
根据回收系统组成和工作过程的特点,采用分层建模的思想,从底层的回收物、降落伞、伞包、吊带约束基元模型开始构建,再组合成拉直、充气、全张满阶段动力学模型,最终形成常规伞的回收系统仿真模型。对常规伞方案回收系统工作过程进行了仿真分析,给出了结果数据,对整个设计方案进行了评价。
分析了翼伞的质量特性和气动特点,总结了简单的翼伞充气模型,并建立了六自由度的翼伞动力学模型。以常规减速伞工作结束时候的系统状态作为翼伞系统的初始条件,对翼伞的充气过程、滑翔过程以及转弯过程进行了仿真,对仿真的结果进行了分析和讨论。
本文总结的两种方案的初步设计方法具有一定的工程实用性,所建立的回收系统动力学模型比较全面、精细,对回收系统的工程设计、参数分析、试验飞行、性能评估等具有一定的应用价值。
对火箭助推器进行回收可以验证和评估助推器的设计、对其进行重复利用以及保护地面建筑和人员的安全等。基于火箭助推器回收的重要意义,本文对火箭助推器回收系统设计与分析中的一些问题进行了研究。在选择和设计降落伞时,充分考虑了火箭助推器的特点和性能,给出了回收系统的初步设计方法,建立了较为详细的仿真模型,并对整个回收过程进行了仿真研究。
论文总结了常规伞和翼伞各自的设计准则,完成了某型火箭助推器回收的常规伞和翼伞两种方案的初步设计,并用简单模型加以验证,说明了设计方法的实用性。
根据回收系统组成和工作过程的特点,采用分层建模的思想,从底层的回收物、降落伞、伞包、吊带约束基元模型开始构建,再组合成拉直、充气、全张满阶段动力学模型,最终形成常规伞的回收系统仿真模型。对常规伞方案回收系统工作过程进行了仿真分析,给出了结果数据,对整个设计方案进行了评价。
分析了翼伞的质量特性和气动特点,总结了简单的翼伞充气模型,并建立了六自由度的翼伞动力学模型。以常规减速伞工作结束时候的系统状态作为翼伞系统的初始条件,对翼伞的充气过程、滑翔过程以及转弯过程进行了仿真,对仿真的结果进行了分析和讨论。
本文总结的两种方案的初步设计方法具有一定的工程实用性,所建立的回收系统动力学模型比较全面、精细,对回收系统的工程设计、参数分析、试验飞行、性能评估等具有一定的应用价值。
论文总结了常规伞和翼伞各自的设计准则,完成了某型火箭助推器回收的常规伞和翼伞两种方案的初步设计,并用简单模型加以验证,说明了设计方法的实用性。
根据回收系统组成和工作过程的特点,采用分层建模的思想,从底层的回收物、降落伞、伞包、吊带约束基元模型开始构建,再组合成拉直、充气、全张满阶段动力学模型,最终形成常规伞的回收系统仿真模型。对常规伞方案回收系统工作过程进行了仿真分析,给出了结果数据,对整个设计方案进行了评价。
分析了翼伞的质量特性和气动特点,总结了简单的翼伞充气模型,并建立了六自由度的翼伞动力学模型。以常规减速伞工作结束时候的系统状态作为翼伞系统的初始条件,对翼伞的充气过程、滑翔过程以及转弯过程进行了仿真,对仿真的结果进行了分析和讨论。
本文总结的两种方案的初步设计方法具有一定的工程实用性,所建立的回收系统动力学模型比较全面、精细,对回收系统的工程设计、参数分析、试验飞行、性能评估等具有一定的应用价值。
对火箭助推器进行回收可以验证和评估助推器的设计、对其进行重复利用以及保护地面建筑和人员的安全等。基于火箭助推器回收的重要意义,本文对火箭助推器回收系统设计与分析中的一些问题进行了研究。在选择和设计降落伞时,充分考虑了火箭助推器的特点和性能,给出了回收系统的初步设计方法,建立了较为详细的仿真模型,并对整个回收过程进行了仿真研究。
论文总结了常规伞和翼伞各自的设计准则,完成了某型火箭助推器回收的常规伞和翼伞两种方案的初步设计,并用简单模型加以验证,说明了设计方法的实用性。
根据回收系统组成和工作过程的特点,采用分层建模的思想,从底层的回收物、降落伞、伞包、吊带约束基元模型开始构建,再组合成拉直、充气、全张满阶段动力学模型,最终形成常规伞的回收系统仿真模型。对常规伞方案回收系统工作过程进行了仿真分析,给出了结果数据,对整个设计方案进行了评价。
分析了翼伞的质量特性和气动特点,总结了简单的翼伞充气模型,并建立了六自由度的翼伞动力学模型。以常规减速伞工作结束时候的系统状态作为翼伞系统的初始条件,对翼伞的充气过程、滑翔过程以及转弯过程进行了仿真,对仿真的结果进行了分析和讨论。
本文总结的两种方案的初步设计方法具有一定的工程实用性,所建立的回收系统动力学模型比较全面、精细,对回收系统的工程设计、参数分析、试验飞行、性能评估等具有一定的应用价值。
引文
[1] E. G. Ewing, T. W. Knacke, et al.回收系统设计指南[M].吴天爵,马宏林,et al.北京:航空工业出版社,1988.
[2] Vishnyak A. Parachute simulation for Ariane-5 booster recovery system design[R]. AIAA-95-1593.1995.
[3] S. K. Ibrahim, R. A. Engdahl. Parachute dynamics and stability analysis[R]. NASA-CR-120326. 1974.
[4] Watts G. Thechnique to eliminate computational instability in multibody simulations employing the lagrange multiplier[R]. NASA-TP-3220.1992.
[5] D. Adler, M. Baeza, D. Northey. PASDA in action[R]. AIAA-93-1225. 1993.
[6] D. Adler, W. Trogus,E. Bachor. PASDA-a tool to design atmospheric descent bodies with parachutes[J] Adv. Space Res., 1995,16 (6):113-116.
[7] W.D.Sundberg. Status report:parachute system design, analysis and simulation tool[R]. AIAA93-1208.1993
[8]柯鹏,杨春信,杨雪松.重型货物空投系统过程仿真及特性分析[J].航空学报,2006,27 (5):856-860.
[9] Benedetti G A. Flight dynamics of a spinning projectile descending on a parachute. SAND, 89-8419:
[10] White F M,Wolf D F. A theory of three dimensional parachute dynamic stability. Aircraft, 1968, 5(1): 86~92
[11] Wolf D F,Spahr.H.R.Parachute dynamics and stability analysis.NASA CR 120326
[12] Vergolle J F,Astorg J M.Dynamics stability of a capsule-drogue assembly during the re-entry.AIAA91-0878
[13] Sundberg W D,ed.Status report:Parachute systems design,analysis,and simulation tool.AIAA93-1208
[14] Yavuz T.Effect of changes in physical parameters on the stability characteristics of parachute descending through real fluids. J.Aeronautical,1985:349~352
[15]降落伞技术导论编写组.降落伞技术导论[M].北京:国防工业出版社,1977.
[16]王利荣.降落伞理论与应用[M].北京:宇航出版社,1997.
[17] R.E.Runkle,D.F.Wolf. Space Shuttle Solid Rocket Booster lightweight recovery system.AIAA-95-1594-CP
[18] B.C.Layfidld, M.A.Carpenter,USBI Co. Monte Carlo technique for developing Space Shuttle solid rocket booster parachute loads. AIAA-95-1582-CP
[19] A.Vishnyak.Parachute simulations for ARIANE-5 Booster Recovery System design.AIAA-95-1593-CP
[20] JM Astorg,F Barreau.The Ariane 5 solid rocket booster recovery - A technical and managerial challenge.AIAA-95-1532-CP
[21] F.P.Meiboom,B.VLeiden. Qualification of the Ariane-5 booster recovery system. AIAA-95-1591-CP
[22] M.J.bos. Post-flight 503 evaluation of the Ariane-5 Booster Recovery System. AIAA-99-1704
[23] O.Rysev,R.Andronov.Methodology of design and development of Ariane-5 booster recovery system.AIAA-95-1590-CP
[24] F.P.Meiboom.Aerodynamic characterisation and trajectory simulations for the Ariane-5 booster recovery system.pdf.AIAA-93-1214
[25] AnthonyP.Taylor. Design and testing of the Kistler Landing System parachutes. AIAA-99-1707
[26] Douglas P.Fuhry.Adaptive atmospheric reentry guidance for the Kistler K-1 orbital vehicle.AIAA-99-4211
[27]金友兵,等.鱼雷和伞的空中运动模型[J].弹道学报,1998,10(2):87-92.
[28]程文科,秦子增等.具有倒“Y”吊挂的物伞组合体动力分析[J].弹道学报,1998,10(2):10-14.
[29]程文科.一般降落伞-载荷系统动力学及其动稳定性分析[D].长沙:国防科技大学博士论文,2000.
[30]程文科,杨小伟,秦子增,张晓今.物伞系统动力特性研究[J].国防科技大学学报,1998,20(4):27-30.
[31]程文科.减速伞回收物组合体动力及稳定性分析[D].长沙:国防科技大学硕士论文,1996.
[32]张青斌.高空风对降落伞拉直过程的影响[R].长沙:国防科学技术大学航天与材料工程学院科技报告,2002.12.
[26]张青斌,等.绳系力对降落伞拉直过程的影响[J].航天返回与遥感,2002,23(2):9～14.
[33]张青斌,等.降落伞拉直过程的多刚体模型[J].中国空间科学技术,2003,23(2):45～50.
[34]张青斌,等.降落伞拉直过程的阻尼弹簧模型[J].弹道学报,2003,15(1):31～35.
[35] ZhangQingbin. A new parachute deployment model by multibody dynamics. The 17th AIAA Decelerator Systems Technology Conference[R]. AIAA 2003-2134,2003.
[36] T. M. Barrows. Apparent mass of parafoils with spanwise camber [J]. Journal of Aircraft, 2002, 39(3): 445-451
[37]孙世贤,黄圳圭.理论力学教程[M].长沙:国防科技大学出版社, 1997.
[38] J. Potvin. Deployment Model for Slider-Reefed Ram-Air Parachutes [R]. AIAA-95-1564. 1995.
[39] J. Potvin. Testing a new model of ram-air parachute inflation [J]. The Aeronautical Journal, 1997:299-313.
[40] J. Potvin, R. Montanez. The Parks college ram-air parachute deployment study: a status report [R]. AIAA-97-1426. 1997.
[41] J. Potvin, B. Brocato, et al. Experimental validation of the ideal parachute model: a status report [R]. AIAA-99-1746. 1999.
[42] T. Perschbacher, J. Potvin. The improved ideal parachute model and its application to the study of the inflation dynamics of slider-reefed ram-air and tound parachutes [R]. AIAA-99-1750. 1999.
[43] J. Potvin, B. Brocato. Modeling the inflation of ram-air parachutes reefed with sliders [J]. J. Aircraft, 2001,38 (5):818-827.
[44] J. Potvin. More scaling laws for ram-air parachute inflation [R]. AIAA 2001-2072. 2001.
[45] J D Nicolaides. Parafoil wind tunnel tests [R]. AFFDL-TR-70-146, 1970
[46] T. F. Goodrick. Simulation studies of the flight dynamics of gliding parachute system [R]. AIAA-79-0417, 1979
[47] J.Stephen Lingard, PRECISION AERIAL DELIVERY SEMINAR RAM-AIR PARACHUTE[R]. 13th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference Clearwater Beach, May 1995 [3] Puskas E.The development of a 10,000 lb capacity ram air parachutel.AIAA 89-0904,1989
[48] Wailcs, w, k. Pioncer aerospace advance high glide recovery system.Aviation Week&Space Technology 1990,16(4)
[49]林仙友.高翼载冲压翼伞的设计技术.航天返回与遥感.1993,14(3):16-26
[50]张晓今,秦子增,马海亮.可控翼伞回收系统运动特性仿真研究进展.宇航学报,1999,20(2):104-106
[51] Puskas E.The development of a 10,000 lb capacity ram air parachute.AiAA paper 89-0904,1989
[52] T. M. Barrows. Apparent mass of parafoils with spanwise camber [J]. Journal of Aircraft, 2002,39 (3):445-451.
[53] Taro Tsukamoto,Dianne J.DeTurris,Trevor J.Foster.Separation flight testing of a subsonic glideback booster demonstrator[J]. AIAA 2003-0911
[2] Vishnyak A. Parachute simulation for Ariane-5 booster recovery system design[R]. AIAA-95-1593.1995.
[3] S. K. Ibrahim, R. A. Engdahl. Parachute dynamics and stability analysis[R]. NASA-CR-120326. 1974.
[4] Watts G. Thechnique to eliminate computational instability in multibody simulations employing the lagrange multiplier[R]. NASA-TP-3220.1992.
[5] D. Adler, M. Baeza, D. Northey. PASDA in action[R]. AIAA-93-1225. 1993.
[6] D. Adler, W. Trogus,E. Bachor. PASDA-a tool to design atmospheric descent bodies with parachutes[J] Adv. Space Res., 1995,16 (6):113-116.
[7] W.D.Sundberg. Status report:parachute system design, analysis and simulation tool[R]. AIAA93-1208.1993
[8]柯鹏,杨春信,杨雪松.重型货物空投系统过程仿真及特性分析[J].航空学报,2006,27 (5):856-860.
[9] Benedetti G A. Flight dynamics of a spinning projectile descending on a parachute. SAND, 89-8419:
[10] White F M,Wolf D F. A theory of three dimensional parachute dynamic stability. Aircraft, 1968, 5(1): 86~92
[11] Wolf D F,Spahr.H.R.Parachute dynamics and stability analysis.NASA CR 120326
[12] Vergolle J F,Astorg J M.Dynamics stability of a capsule-drogue assembly during the re-entry.AIAA91-0878
[13] Sundberg W D,ed.Status report:Parachute systems design,analysis,and simulation tool.AIAA93-1208
[14] Yavuz T.Effect of changes in physical parameters on the stability characteristics of parachute descending through real fluids. J.Aeronautical,1985:349~352
[15]降落伞技术导论编写组.降落伞技术导论[M].北京:国防工业出版社,1977.
[16]王利荣.降落伞理论与应用[M].北京:宇航出版社,1997.
[17] R.E.Runkle,D.F.Wolf. Space Shuttle Solid Rocket Booster lightweight recovery system.AIAA-95-1594-CP
[18] B.C.Layfidld, M.A.Carpenter,USBI Co. Monte Carlo technique for developing Space Shuttle solid rocket booster parachute loads. AIAA-95-1582-CP
[19] A.Vishnyak.Parachute simulations for ARIANE-5 Booster Recovery System design.AIAA-95-1593-CP
[20] JM Astorg,F Barreau.The Ariane 5 solid rocket booster recovery - A technical and managerial challenge.AIAA-95-1532-CP
[21] F.P.Meiboom,B.VLeiden. Qualification of the Ariane-5 booster recovery system. AIAA-95-1591-CP
[22] M.J.bos. Post-flight 503 evaluation of the Ariane-5 Booster Recovery System. AIAA-99-1704
[23] O.Rysev,R.Andronov.Methodology of design and development of Ariane-5 booster recovery system.AIAA-95-1590-CP
[24] F.P.Meiboom.Aerodynamic characterisation and trajectory simulations for the Ariane-5 booster recovery system.pdf.AIAA-93-1214
[25] AnthonyP.Taylor. Design and testing of the Kistler Landing System parachutes. AIAA-99-1707
[26] Douglas P.Fuhry.Adaptive atmospheric reentry guidance for the Kistler K-1 orbital vehicle.AIAA-99-4211
[27]金友兵,等.鱼雷和伞的空中运动模型[J].弹道学报,1998,10(2):87-92.
[28]程文科,秦子增等.具有倒“Y”吊挂的物伞组合体动力分析[J].弹道学报,1998,10(2):10-14.
[29]程文科.一般降落伞-载荷系统动力学及其动稳定性分析[D].长沙:国防科技大学博士论文,2000.
[30]程文科,杨小伟,秦子增,张晓今.物伞系统动力特性研究[J].国防科技大学学报,1998,20(4):27-30.
[31]程文科.减速伞回收物组合体动力及稳定性分析[D].长沙:国防科技大学硕士论文,1996.
[32]张青斌.高空风对降落伞拉直过程的影响[R].长沙:国防科学技术大学航天与材料工程学院科技报告,2002.12.
[26]张青斌,等.绳系力对降落伞拉直过程的影响[J].航天返回与遥感,2002,23(2):9～14.
[33]张青斌,等.降落伞拉直过程的多刚体模型[J].中国空间科学技术,2003,23(2):45～50.
[34]张青斌,等.降落伞拉直过程的阻尼弹簧模型[J].弹道学报,2003,15(1):31～35.
[35] ZhangQingbin. A new parachute deployment model by multibody dynamics. The 17th AIAA Decelerator Systems Technology Conference[R]. AIAA 2003-2134,2003.
[36] T. M. Barrows. Apparent mass of parafoils with spanwise camber [J]. Journal of Aircraft, 2002, 39(3): 445-451
[37]孙世贤,黄圳圭.理论力学教程[M].长沙:国防科技大学出版社, 1997.
[38] J. Potvin. Deployment Model for Slider-Reefed Ram-Air Parachutes [R]. AIAA-95-1564. 1995.
[39] J. Potvin. Testing a new model of ram-air parachute inflation [J]. The Aeronautical Journal, 1997:299-313.
[40] J. Potvin, R. Montanez. The Parks college ram-air parachute deployment study: a status report [R]. AIAA-97-1426. 1997.
[41] J. Potvin, B. Brocato, et al. Experimental validation of the ideal parachute model: a status report [R]. AIAA-99-1746. 1999.
[42] T. Perschbacher, J. Potvin. The improved ideal parachute model and its application to the study of the inflation dynamics of slider-reefed ram-air and tound parachutes [R]. AIAA-99-1750. 1999.
[43] J. Potvin, B. Brocato. Modeling the inflation of ram-air parachutes reefed with sliders [J]. J. Aircraft, 2001,38 (5):818-827.
[44] J. Potvin. More scaling laws for ram-air parachute inflation [R]. AIAA 2001-2072. 2001.
[45] J D Nicolaides. Parafoil wind tunnel tests [R]. AFFDL-TR-70-146, 1970
[46] T. F. Goodrick. Simulation studies of the flight dynamics of gliding parachute system [R]. AIAA-79-0417, 1979
[47] J.Stephen Lingard, PRECISION AERIAL DELIVERY SEMINAR RAM-AIR PARACHUTE[R]. 13th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference Clearwater Beach, May 1995 [3] Puskas E.The development of a 10,000 lb capacity ram air parachutel.AIAA 89-0904,1989
[48] Wailcs, w, k. Pioncer aerospace advance high glide recovery system.Aviation Week&Space Technology 1990,16(4)
[49]林仙友.高翼载冲压翼伞的设计技术.航天返回与遥感.1993,14(3):16-26
[50]张晓今,秦子增,马海亮.可控翼伞回收系统运动特性仿真研究进展.宇航学报,1999,20(2):104-106
[51] Puskas E.The development of a 10,000 lb capacity ram air parachute.AiAA paper 89-0904,1989
[52] T. M. Barrows. Apparent mass of parafoils with spanwise camber [J]. Journal of Aircraft, 2002,39 (3):445-451.
[53] Taro Tsukamoto,Dianne J.DeTurris,Trevor J.Foster.Separation flight testing of a subsonic glideback booster demonstrator[J]. AIAA 2003-0911