降落伞物理模型和充气过程的系统仿真分析
降落伞论文——精选推荐
组号：104降落伞在下降过程中安全性问题摘要本文针对降落伞安全性能的研究建立了竖直方向分段运动数学模型，并对降落伞的安全性能进行了研究分析。
首先，降落伞是利用空气阻力，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器，所以依据空气密度关于高度的关系、空气阻力与面积的关系、阻尼特征值与下降位移的关系，对运动过程进行分析，受力分析中忽略了降落伞和附加物的重力，得到了伞的面积和伞绳最大拉力与跳伞高度的关系，进而对降落伞安全性能指标给予一定的参数对照。
其次，分阶段运动模型的建立。
第一阶段考虑人受到的阻力，引入了微积分法；第二阶段充气过程看作是球形充气模型，运用了充气距离法，考虑到此阶段空气阻力特征值的变化对其图像进行了最小二乘法拟合，而且人和降落伞在此阶段看作两个质点因此运用双质点运动模型，在四个运动阶段中都提出了适当的简化处理方法以便模型的求解。
再次，对模型求解并进行分析，通过求导、积分、Mat lab求解，得到了各阶段的运动方程，对方程变量的分析得到各参数对安全性能的影响。
最后，考虑到人员安全着陆因素，对降落伞的安全性能指标提出了一定的要求，并回归模型的结果进行比较，对模型进行检验，再结合实际降落伞的技术参数，对图示降落伞提出了参考性的改进的建议。
关键词：降落伞安全性能充气距离法最小二乘法拟合双质点运动模型一、问题的提出降落伞是利用空气阻力，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器，使人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。
假设在次反恐演习中，特种兵要进行跳伞行动。
降落伞的性能好坏直接关系到特种兵的安全，出于安全性的考虑，降落伞性能优劣的研究愈加重要。
要求：人体和伞衣之间由四根弹性绳连接，从一定高度处降落。
忽略降落伞的重力，考虑人体的重力、伞的空气阻力(与受力面积成正比)，弹性绳的拉力。
通过合理假设和受力分析，建立人体竖直方向的运动模型，并得到相应的运动方程，并对系统的运动情况进行分析，分析该系统在何种条件下可以让人员安全降落，最后就所提出的安全条件进行可行性分析和评价。
降落伞安全性问题
论文题目：降落伞在下降过程中安全性问题分析摘要本案例研究的是降落伞在下降过程中的安全性问题。
目的是建立降落伞下降过程的动力学模型，找出影响降落伞安全性的因素，并定性定量的分析这些因素与降落伞安全性之间的关系。
在实际中，跳伞是一个多阶段运动过程，主要包括人员出舱，引导伞打开，主伞打开，稳定下落着陆等阶段。
对于整个跳伞过程，我们以阻滞平抛的基本物理模型为基础，并对人伞系统的不同阶段建立了描述系统状态的微分方程。
模型一是依据理想情况而建立的基础模型，将运动过程归结为一个初速度为零，只受重力和空气阻力的竖直下落过程；模型二，考虑到人具有出舱速度，因此以阻滞平抛为模型基础，而且对充气过程做了简化处理，即认为充气瞬间完成，伞面完全展开；模型三中，考虑到实际中更多的降落伞采用二次充气的展开方式，对充气过程做了精确化处理。
在各模型的基础上，我们运用matlab对各个模型进行了仿真数据模拟，采用控制变量法，分析研究了各种与安全性相关的因素，并将它们的定量关系绘于图中，一目了然。
对于非线性的微分方程，应用龙格-库塔法求解微分方程。
最后，对于之前提出的各种安全条件进行了可行性分析和评价，并提出模型改进的方向。
关键词：多阶段运动过程阻滞平抛微分方程二次充气模型龙格-库塔法matlaB仿真数据模拟一、问题重述研究背景，降落伞广泛应用于航空航天事业，军队作战任务，同时也是许多人喜爱的一项极限运动。
因此，降落伞性能的好坏直接关系到跳伞人员的安全，飞行设备的安全，对降落的性能提出了极高的要求，就有必要对降落伞的性能进行研究，抓住各种影响安全的因素，以减少人员伤亡以及重大损失等。
在实际中，跳伞高度一般在1000至5000米，而在保证安全跳伞高度的前提下，希望此距离尽量减少，以减少不确定因素对安全问题的影响。
出舱后，降落伞需要5至10秒才能打开，为保证人员安全，落地速度不能超过5米每秒。
1、参照所给图像，人体和伞衣之间由四根弹性绳连接，从一定高度处降落。
降落伞充气过程中尾流再附动力学分析
2
彭
勇
等 : 降落伞充气过程中尾流再附动力学分析 1 1+ 01 264 k11 g CDtS t S b /
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程中 的 尾 流 再 附 现 象 进 行 研 究。 Strickland 及 Macha[ 1] 对降落伞充气过程中的尾流再附现象进行 了试验研究 , 得到一些有价值的数据。Spahr [ 2] 曾经 建立 了 比 较 简 单 的 模 型 研 究 尾 流 再 附 现 象。 T1Yavuz[ 3] [ 4] 及 Oler [ 5] 提出了较为复杂的尾流模型 , 并与伞系统运动方程联立求解。但是, 他们的模型 在推导过程中存在错误。文章以流体基本控制方程 为基础 , 推导了尾流运动方程。在推导过程中借鉴 了 Oler 尾流模型的一些假设 , 修正了其模型中的错 误。利用文中模型计算了 3 种开伞情况下的尾流再 附现象 , 计算结果与 Strickland 及 Macha 的试验结果 进行了比较。
表 1 3 种不同充气过程 工况 1 2 3 伞系统 质 量 m / kg 125 264 491 充气开始前 充气结束时 系统下落速 系统下落速 度 Ui / ( m/ s) 度 Ut / ( m/ s) 76 941 3 651 6 81 5 121 3 161 8 速度比值 Ui / Ut 81 9 71 7 41 2
衣尾部的气流被加速。从能量的观点分析, 伞充气 过程是一个将物伞运动的动能传递给周围流体的过 程。在充气过程中的每一瞬时 , 伞衣周围流体的动 量变化率等于气流对物伞系统阻力的反作用力。因 此, 在伞系统减速的同时 , 伞衣周围气流速度在伞系 统运动方向上是加速的。这样可能出现伞衣尾部气 流的速度大于物伞系统的运动速度, 进而导致尾流 再附现象。尾流再附会改变伞衣上压力分布 , 进而
火箭助推器伞降回收系统建模及仿真分析
34Internet Technology互联网+技术一、引言降落伞是一种可展开式气动减速装置，其产生的气动阻力可使飞行器减速到预定速度并平稳落地。
目前，降落伞在越来越多的领域得到应用，如发生自然灾害或战争时，可以通过降落伞空投物资设备、武器弹药；在航空航天领域，降落伞可用于深空探测、航天器减速回收；在民生领域，同样广泛使用到定点跳伞、精准着陆等。
近年来，我国航天事业发展取得了显著成绩，火箭发射活动位居世界前列[1] ，使得降落伞系统在火箭助推器回收领域受到广泛关注并成为研究热点。
火箭助推器在实施级间分离后，由于惯性作用仍处于高空高马赫飞行状态，通常速度在1马赫数以上[2]，若不对其坠落过程施加控制，可能对落区范围内的建筑造成破坏，对地面人员及财产造成威胁。
所以，应用降落伞系统对火箭助推器回收过程进行减速，成为当下迫切需要解决的一项命题。
20世纪80年代起，各国运载火箭伞控回收工作取得长足发展，如美国Kistler 航宇公司开展的两级运载火箭K-1的回收 ，欧洲航空局与俄罗斯合作的“阿里安5”助推器回收以及随后美国进行的“战神I-X”运载火箭试验性发射回收[3] 等。
而我国的研究起步较晚，整体研究尚处于理论到实际应用之中[4] 。
国防科技大学进行了火箭助推器回收方面的数字仿真分析[5]。
中国运载火箭研究院及空间机电所合作进行了运载火箭分离体安全回收方案设计及演示验证项目，相继进行了系统方案论证和缩比模型的回收试验工作[6]。
在回收过程中，火箭助推器-降落伞系统经过降落伞拉直阶段、充气阶段两个较短过程后，将以稳定速度降落飞行到预定高度。
此时，风场作用将成为系统飞行运动特性的主要影响因素。
然而，目前对火箭助推器回收伞降过程的研究多集中在无风作用情况火箭助推器伞降回收系统建模及仿真分析摘要：在火箭助推器回收过程中，经过降落伞减速，系统将以稳定速度飞行，此时高空风场将成为返回过程的主要影响因素。
通过牛顿-欧拉方程建立了火箭助推器-降落伞系统的六自由度模型，并在此基础上建立系统风场模型。
降落伞充气理论研究
降落伞充气理论研究摘要：本文介绍了降落伞充气的研究与发展成果，包括降落伞充气理论守恒公式。
基于降落伞径向运动方程的降落伞充气理论；流固耦合理论。
介绍了不同的研究方法，以及复杂的物理现象、与降落伞充气过程有关的研究困难和解决办法，最后阐述了当前充气过程的研究热点和趋势。
关键词：降落伞；充气；开伞动载弹丸开舱后，伞衣脱离伞包，空气通过伞衣的进气口进入伞衣。
进入的空气有一部分是从伞顶孔和伞衣幅之间的空隙中流出的，一部分留在伞衣内。
捕获的空气增加了伞衣的内压，超出了伞衣的外压。
由压力差引起的径向压力迅速向外扩散。
随着气流的增加，伞衣底部的直径增大，伞衣的延伸将继续下去，直到伞衣的轴向力和径向力与伞衣的应力相平衡。
1.半试验半理论方法一旦对充气过程有了更好的了解，自然要构建数学模型充气过程，控制降落伞的设计和性能分析。
半理论半实验试验方法中使用的充气模型大致可分为轴向动力学方程模型和轴向径向动力学方程模型两类。
1.充气时间法和距离法。
采用轴向动量方程模型将后处理充气过程的研究分为充气时间法和距离法两种方法，均采用轴向力动量模型作为研究充气的基础。
充气时间法是一种在轴向运动方程式中将伞衣中体积变化的速度表示为充气时间，因此充气时间是整个轴向运动的参数。
充气距离法是一种将动态轴向方程式中伞衣内的体积变化表示为函数充气距离，充气距离是动态轴向方程式中的一个参数。
指定伞衣的形状(例如半球圆锥)时，伞衣中体积变化可以表示为伞衣的投影半径比。
可见充气时间法(或充气距离法)是通过指定充气时间(或充气距离)来推断充气过程中伞衣形状变化与充气时间(或充气距离)之间的功能关系，通过试验获得了某些功能参数。
描述充气时间法和距离法状态的发展如下:首先，认识到撑开伞是充气过程，并强调体积变化率等于进气面积和进气流速的乘积。
奠定了理论基础的是充气时间法。
充气距离必须与伞的尺寸成比例，同时承认附加质量对充气过程的影响。
提供具有增强几何图形的伞状模型，并提供计算开放式伞荷载的方法。
基于LS_DYNA软件的降落伞充气过程仿真研究
2010 年 6 月
SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING
367
基于 LS-DYNA 软件的降落伞充气过程仿真研究
贾 贺，荣 伟，陈国良
（北京空间机电研究所， 北京 100076）
摘要：文章基于 LS-DYNA 软件对降落伞的充气过程进行了数值模拟，得到了降落伞的充气时间和投影面
3.1 降落伞仿真模型的建立
3.1.1 基本假设 对降落伞仿真模型作如下假设：
1）仿真充气过程前模型为轴对称的结构；
2）模型的初始形状为有一定的进气孔尺寸， 截面为梅花形状的模型；
3）模型只考虑伞绳的连接，对于伞衣径向带、
顶孔绳等不作具体处理。
3.1.2 基本参数设置
1）降落伞几何模型
降落伞仿真模型选用美国的经典伞型—C-9 平 面圆形伞，如图 4(a)所示，具体结构参数如表 1 所示。
图 1 降落伞的充气过程 Fig. 1 Parachute inflation process
———————————— 收稿日期：2009-10-09；修回日期：2009-11-03 作者简介:贾 贺（1983—），男，硕士学位，主要从事飞船回收着陆分系统的仿真分析工作。联系电话：68384326。 荣 伟（1969—），男，博士学位，研究员，主要从事神舟飞船回收着陆分系统的研制工作。
0 引言
降落伞系统作为一种高效、可靠的回收装 置，在我国载人飞船、返回式卫星的回收着陆以 及美国火星探测器的着陆等过程中，都得到了广 泛的应用。充气是降落伞整个工作过程中最为复 杂的一个阶段，也是研究人员迫切地想通过理论 分析来解释的[1-2]。目前，对于降落伞充气性能 （除最大开伞动载外）的了解或掌握主要是通过 一些试验结果的统计分析来获取的，充气性能与 开伞条件之间的关系也是通过试验结果统计、拟 合出来的[3]。这使得充气时间、伞衣投影面积变 化的一些经验公式存在着一定的局限性，只能在
雨伞的结构设计与仿真分析..
雨伞的结构设计与仿真分析设计说明书目录一绪论1.1 雨伞的发展史1.2 课题研究背景- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1.3 现行雨伞分析1.4 新型雨伞的提出二对相关资料的研究与分析2.1对普通充气伞的分析2.2对空气雨伞的分析2.3供气机构的参考资料三充气式多功能雨伞的设计方案3.1创新点3.2 雨伞的使用功能介绍- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3.3 雨伞的布局设计3.4 雨伞的设计机构- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -7 3.5 雨伞主要参数计算分析- - - - - - - - - - - - - - - - - - 3.6雨伞的气密性分析与解决办法四选材的分析抉择与可行性的分析4.1伞杆材料的选择4.2伞面材料的选择4.3电动机的选择4.4单向阀的选择五设计价值与意义- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10六总结七参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - 10八谢辞九附录雨伞的结构设计与仿真分析说明书第一绪论：1.1雨伞的发展史早在春秋末年，我国古代著名木工师傅鲁班常在野外作业，如果当时遇到下雨天，就会被经常的淋湿，很影响在雨天的生活和工作。
在古籍上的记载是：“云氏劈竹为条，蒙以兽皮，收拢如棍，张开如盖”，最初的雨伞，就在此刻诞生了，发展到在公元前十一世纪时，就有了用帛制成的伞，在以往的“雨伞”有所改进，这时的雨伞初步成型，随着人类社会文明的进步，智慧结晶的发展，在东汉时期，蔡伦发明纸以后，在人们的生活中，就出现了在纸面上涂熟桐油的油纸，这时的雨伞已经正式开始它的发展史，样式和款式，已经开始成型。
环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用
第44卷第3期航天返回与遥感2023年6月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING21环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用刘康1包文龙1薛晓鹏2吴壮志3荣伟1,*（1 北京空间机电研究所，北京100094）（2 中南大学自动化学院，长沙410083）（3 北京航空航天大学计算机学院，北京100086）摘要针对目前大多数降落伞充气展开过程仿真中时间零点和初始进气口大小的设置与实际使用状态不一致，以及由此导致的充气时间、开伞载荷、充气过程中的投影面积和体积变化规律等仿真结果利用受限和验证的充分性不足等问题，文章通过在降落伞仿真模型中增设收口绳结构，使用单元失效的控制方式，对环帆伞收口稳定状态和解除收口后的充气展开过程进行了数值模拟研究。
经过与空投试验相关结果的对比验证，表明降落伞收口控制方法和解除收口后的充气展开过程仿真方法是可行的。
同时利用充气过程中的伞衣投影面积及体积变化规律等仿真结果处理得到了伞衣阻力面积和附加质量变化规律，引入量纲为1的充气时间对其进行了处理。
最后结合物伞系统动力学模型，实现了物伞系统试验中的开伞载荷预测分析，结果与试验数据吻合得较好。
研究成果为降落伞充气性能分析提供了一种具有较高精度的开伞载荷预测方法。
关键词收口绳环帆伞流固耦合数值模拟动力学模型开伞载荷中图分类号: V445.2+3文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)03-0021-11 DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.003Inflatable Simulation Research and Application of Reefed RingsailParachuteLIU Kang1BAO Wenlong1XUE Xiaopeng2WU Zhuangzhi3RONG Wei1,*（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 School of Automation Academy, Central South University, Changsha 410083, China）（3 School of Computer Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100086, China）Abstract Currently, many parachute simulation models use inconsistent settings for parachute inflation zero time and initial air inlet size, which limits the usefulness of simulation results such as inflation time, opening load, canopy projected area and volume change during the inflation process. This also causes simulation verification insufficient. To address this issue, this paper introduces a reefing line with unit failure control method into a ringsail simulation model, and conducts a numerical simulation study on stable state of the ringsail and inflation process after the reefing line failed. Then comparison and verification with the results of airdrop test indicate that the reefing line control method and the inflatable simulation after the reefing line failed are feasible. Meanwhile, canopy projected area and volume curves are processed from the simulation data,收稿日期：2022-10-18基金项目：工业和信息化部重点实验室开放基金（KLAECLS-E-202004）引用格式：刘康, 包文龙, 薛晓鹏, 等. 环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(3): 21-31.LIU Kang, BAO Wenlong, XUE Xiaopeng, et al. Inflatable Simulation Research and Application of Reefed Ringsail22航天返回与遥感2023年第44卷and applied to obtain drag area and added mass of the parachute, which are further treated as dimensionless inflation time forms. Finally, combined with the forebody-parachute system dynamics model, the prediction and analysis of the ringsail opening load are realized, and the results agree well with airdrop test results. The research achievements also provide a high-precision method about predicting the opening load for parachute inflation performance analysis.Keywords reefing line; ringsail; fluid–structure interaction; numerical simulation; dynamic model; opening load0 引言降落伞由于具有质量较轻、减速效果显著、成本低廉等优点，在航空航天领域中作为主要的气动减速装置而被广泛应用。
降落伞充气过程的参数化仿真软件
（ １ ． Ａ ｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ８ ４ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ Ａｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ７ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ３ ． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｄｅ ｆ ｅ ｎ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ４ １ ０ ０ ７ ３， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
２ ０ １ Βιβλιοθήκη 年 １ １月 系 统 仿 真 技 术
Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
ＮＯ Ｖ ．， ２ ０１ ３ Ｖｏ １ ． ９． ＮＯ． ４
第 ９卷 第 ４期
中 图分 类 号 ：Ｖ ４ ４ １ ． ８
文献标识码 ： Ａ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ：Ｐ ａ ｒ ａ ｃ ｈ ｕｔ ｅ ｉ ｎｆ ｌａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｌｕ ｆ ｉ ｄ — ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ， ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｏ ｐ ｈ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐ
基于ALE的降落伞充气过程数值仿真
Ｋｅ ｒ ｓ ｅ ｏ ｙ ａ ｉ ｄ ｃ ｌｒ ｔｒ ｐ ｎ ｎ ｒ ｃ ｓ ； ｒ ｉｒｒ ｇ ａ ｇ ｌｒｍｅｈ ｄ （ ｙ ｗｏ ｄ ：ａ ｒ ｄ ｎ ｍ ｃ ｅ ｅｅ ａｏ ；ｏ ｅ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ａ ｂｔａ ｙＬａ ｒ ｎ ｅＥｕｅ ｔ ｏ ＡＬＥＭ ） ｎ ｉ ；ｉｆ —
ｎｔ ａ ｓ ｉｅ ｍ ｓ
降落 伞 以重 量 轻 、 减速 效 果好 等 特点 在 航 空 、 航 天 以及兵 器等 领域有着 广泛 的应 用 。 国 内降落 而
伞设计 主要 基 于经验 和半 经 验公式 ， 需要 通过 大量
的实 物试 验来验 证 ， 是这 种方式 不仅耗 费 大量人 但
第 ４ 卷第 ３ ４ 期
２１ ０ ２年 ６月
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮａ ｊ ｇＵ ｎｉ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ｎａ ｔｃ Ｌ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｎｉ ｖｅ ｓ ｔ ｆ Ａｅ ｏ ｕ ｉｓ ８ ｒ ｎ ｕ ｉ ｏ ｎ Ａｓ ｃ
耦合 点 距离 ｄ计 算 界 面力 Ｆ （ 一是・ ， 中 ｋ为 ｄ其
维 降落伞 开伞 过程 ， 与试 验 结果 进 行 了对 比， 并
获 得 了成功 ；０ ９年 ， ｅｋｎ等人 采用 浸 入边 界法 ２０ Ｐ ｓｉ （ｍｍｅｓｄ ｂ ｕ ｄ ｒ ｔｏ ，Ｉ Ｍ ） 算 了 三维 Ｉ ｒｅ ｏ ｎ ａｙ ｍｅｈ ｄ Ｂ 计 模 型 伞 开 伞 情况 ， 无 法 获 得 伞 衣 应 力 应 变 等 情 但 况 ；０ ２年 ， ａ ｉ ｗａ等人用 稳 定空 域流 固耦 合 ２１ Ｔ ｋｚ ａ 法计 算 了降落 伞稳 降时 的结构 和 流场情 况 ， 但没 有
度 为 ４ ２ｋ ｍ～， 衣 弹性 模 量为 ４ ３ ０ Ｐ ， ６ ｇ・ 伞 ． ×１ ａ
十字形伞开伞充气过程数值仿真研究
航天返回与遥感第44卷第3期32SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2023年6月十字形伞开伞充气过程数值仿真研究谢淮刘宇王臻昌飞（北京空间机电研究所，北京100094）摘要十字形降落伞是航空航天减速领域常用的伞型，开伞充气过程是其工作过程中较为复杂的一个阶段。
为了研究十字形伞开伞充气过程中的动力学特性，文章基于任意拉格朗日-欧拉方法对十字形伞开伞过程进行流固耦合仿真计算，并将计算结果与风洞试验结果进行对比。
对比发现：仿真计算得到的十字形伞稳态外形与试验结果一致，且仿真获得的降落伞气动载荷历程曲线与试验结果基本相符，载荷呈现出随着开伞过程逐渐增大，在开伞结束达到最大值后略有降低并逐渐稳定的趋势。
仿真结果还表明，在十字形伞开伞过程中，伞衣的最大应力点位于伞臂的中心区域，充气顺序的先后会影响伞臂的应力分布，降落伞稳定后伞衣应力呈对称分布。
文章采用的仿真方法能较好地模拟十字形伞开伞充气的动力学过程，得到的伞衣应力分布特点及影响因素可为十字形伞的设计与优化提供参考。
关键词十字形降落伞计算流固耦合动力学开伞充气中图分类号: V445文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)03-0032-09DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.004Numerical Simulation Study of Cruciform ParachuteDeployment and Inflation ProcessXIE Huai LIU Yu WANG Zhen CHANG Fei（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract The cruciform parachute is a commonly used parachute design in the field of aerospace deceleration，and the deployment and inflation stage is a complex stage of its operation. In order to study the dynamics characteristics of cruciform parachute deployment and inflation process, this paper employs the arbitrary Lagrangian-Eulerian method to carry out the fluid-structure interaction simulation calculations on the deployment process of a cruciform parachute. The computed results are compared with wind tunnel test results. The comparison shows that the simulated steady-state shape of the parachute is consistent with the experimental results, and the simulated aerodynamic load history curve of the parachute is largely in agreement with the test results. The load exhibits a gradual increase during the deployment process, reaching its maximum value after the completion of the deployment, followed by a slight decrease and gradual stabilization. The simulation results also show that, during the cruciform parachute deployment process, the maximum stress point of the canopy is located in the central region of the canopy arms, and the inflation sequence affects the stress distribution along the arms. After the parachute stabilizes, the canopy stress exhibits a symmetrical distribution.收稿日期：2023-01-06基金项目：工业和信息化部重点实验室开放基金（KLAECLS-E-202004）引用格式：谢淮, 刘宇, 王臻, 等. 十字形伞开伞充气过程数值仿真研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(3): 32-40.XIE Huai, LIU Yu, WANG Zhen, et al. Numerical Simulation Study of Cruciform Parachute Deployment and第3期 谢淮 等: 十字形伞开伞充气过程数值仿真研究 33The simulation method employed in this study effectively simulates the dynamic process of cruciform parachute deployment and inflation, and the characteristics of canopy stress distribution and influencing factors can provide valuable insights for the design and optimization of cruciform parachutes.Keywords cruciform parachute; fluid-structure interaction (FSI); deployment; inflation0 引言降落伞是目前航空航天领域应用最广泛的减速手段[1-2]，根据伞衣结构形式的不同，可以分为平面圆形伞、方形伞、带条伞、环帆伞以及十字形降落伞等。
无人机伞降回收十二自由度模型建立与仿真
第１期
吴翰，等：无人机伞降回收十二自由度模型建立与仿真
６９
图 ２ 降落伞充气过程示意图
图 １ 伞降回收系统坐标系示意图
１．２ 广义坐标选取
本文所建模型实质为十五自由度模型，其中降
落伞六自由、吊带三自由度（ 只包含吊带姿态） 以及
无人机六自由度。 需要注意的是吊带的三自由度是
由连接点 Ａ（ 即坐标系 Ｆｃ） 的姿态来体现的。 但当 降落伞拉直后，吊带姿态与降落伞姿态可以近似成
收稿日期：２０１９⁃０３⁃１９
基金项目：航空科学基金（２０１６ＺＡ５３００２） 与陕西省重点研发项目（２０１８ＺＤＣＸＬ⁃ＧＹ⁃０３⁃０４） 资助
作者简介：吴翰（１９９６—） ，西北工业大学硕士研究生，主要从事飞行器总体设计、多体动力学建模与控制研究。
通信作者：王正平（１９６４—） ，西北工业大学教授，主要从事飞行器总体设计与结构设计研究。 ｅ⁃ｍａｉｌ： ａｄ５０２＠ ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
学建模，通过划分降落伞阻力面积的大小范围将一 次性张满降落伞的充气过程划分为三部分，即降落 伞初始充气部分、降落伞主充气部分和降落伞稳定 下降部分，具体如图 ２ 所示。
具体通过表 １ 对一次性张满降落伞的充气过程 进行划分。
表 １ 降落伞充气过程划分
降落伞充气过程 初始充气部分 主充气部分 稳定下降部分
一样进行处理，因此消去了吊带的三自由度模型，将
其称为十二自由度模型。 系统广义坐标选取如下
ｑ ＝ [ｒｄ ｑｄ ｑｃ ｒｂ ｑｂ ] Ｔ
（１）
式的姿态；ｑｃ 描述的是吊带的姿态；ｒｂ 描述的是
无人机的质心位置；ｑｂ 描述的是无人机姿态。 需要
１ 伞降回收运动学描述
１．１ 回收系统简介 该无人机伞降回收系统主要由无人机、降落伞
收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真
收口十字形降落伞充气过程动力学建模与仿真收口十字形降落伞是一种广泛应用于高空物品或人员运输的降落伞，具有快速展开、稳定性好、控制精度高等优点。
本论文将介绍收口十字形降落伞充气过程的动力学建模与仿真。
1.动力学建模收口十字形降落伞的充气过程可以分成两个阶段，第一阶段是自由膨胀阶段，第二阶段是继续充气阶段。
在第一阶段中，气动力是主要的力学作用，对伞体进行自由膨胀；第二阶段中，弹性力成为主要的力学作用，伞体继续充气并逐渐达到稳定状态。
针对这两个阶段，我们可以采用欧拉-伯努利方程和泊松方程来建立数学模型。
对于自由膨胀阶段，我们需要考虑以下几个因素：气压、气流速度、伞体面积以及流体密度。
自由膨胀阶段的方程如下：$$\rho\frac{D\textbf{v}}{Dt}=-\nabla p+\rho\textbf{g}$$ $$\frac{\partial p}{\partial t}+\textbf{v}\cdot\nabla p=-\gammap\nabla\cdot\textbf{v}$$其中，$\rho$ 是空气密度，$\textbf{v}$ 是流体速度，$p$ 是气压，$\textbf{g}$ 是重力加速度，$\gamma$ 是空气绝热指数，$D/Dt$ 是物质导数。
上式中的第一个方程表示用欧拉-伯努利方程描述气流速度与气压的关系，第二个方程表示泊松方程。
对于继续充气阶段，我们需要考虑以下几个因素：气压、伞布弹性以及气流速度。
继续充气阶段的方程如下：$$\rho\frac{D\textbf{v}}{Dt}=-\nablap+\nabla\cdot\textbf{$\sigma$}+\rho\textbf{g}$$$$\nabla\cdot\textbf{v}=0$$其中，$\textbf{$\sigma$}$ 是伞体的应力张量。
这两个方程表示了伞体的弹性力及空气动力学对伞体的作用。
2.仿真过程基于上述动力学模型，我们可以利用计算流体力学（CFD）和有限元法（FEM）对收口十字形降落伞的充气过程进行仿真。
降落伞充气过程中伞衣外形及流场变化研究
降落伞充气过程中伞衣外形及流场变化研究张红英;刘卫华;秦福德;童明波【摘要】According to the structure of the parachute and the force characteristics in inflation process, using a flat circular parachute as a prototype, the coupled model of computational fluid dynamics and structural dynamics is set up in the canopy inflation process.Quantitative measurement for flow field around has been carried out in the full state using seven-hole probe, and the test results and calculation results are analyzed comparatively, obtaining that the two topology structures are very similar, and the differential pressure coefficient also has an insignificant difference, so the mathematical model used is reliable.On this basis, the numerical simulation and analysis are carried out for the flow field in the whole inflation phase, in order to learn more about canopy shape changes and the flow field changes in internal and external canopy during the entire parachute opening process.The results show that: ( 1 ) In the initial inflation stage, canopy shape of expanded part remains relatively smooth and straight, rather than flared.In the main inflation stage, the air gathers at the top of the canopy at first, so that the top of canopy gets expanding, and then expansion part extends to the canopy bottom until totally full.(2) When the canopy vent is opened by airflow, structure porosity of canopy will have a significant impact on flow field.However, from pressure coefficient changes in internal and external canopy of view, porosity has less significant impact on the stagnation pressure withincanopy but has more significant impact on the outflow of canopy structure, thus the pressure in outer surface of the canopy would be affected rather largely.(3) For such circular flat parachute with a vent, when the canopy inflated and opened, air separation appears in the canopy tail, then two vortexes forms at the opposite rotation directions in a vortex region.And, with the expansion of canopy diameter, the separation zone gets expanding, the shear zone area of the mainstream to the vortex region increases, so a lateral vortex of two ones in the vortex region increases, and the inner one is squeezed to the region near to parachute top.%根据降落伞的结构和其在充气过程中的受力特性,以某平面圆形伞为原型,建立了伞衣充气过程中的计算流体力学与结构动力学耦合模型.并采用七孔探针对充满状态的绕流流场进行了定量测最,将该状态的试验结果和计算结果进行对比分析,二者的拓扑结构非常相似,压差系数也相差不大,因此所采用的数学模型是可靠的.在此基础上,对整个充气阶段的流场进行了数值模拟和分析,以详细了解降落伞整个开伞过程中伞衣外形变化及伞衣内外流场的变化情况.研究结果表明:①在初始充气阶段,伞衣展开部分外形基本保持较光滑的直筒形状,而非喇叭形.在主充气阶段:空气首先在伞衣顶部聚集,使伞衣顶部膨胀,然后膨胀部分向伞衣底边扩展,直到伞衣完全张满.②当伞顶孔被气流冲开后,伞衣的结构透气性对流场会产生显著影响.但从内外压力系数的变化来看,透气性对伞衣内滞止压力的影响较小,对伞衣外流场结构的影响较大,从而对伞衣外表面的压力影响较大.③对于此类有伞顶孔的平面圆形伞,当伞衣充气张开后,伞衣尾部出现气流分离,在一个漩涡区内形成两个相反旋转方向的漩涡.且随着伞衣直径扩张,分离区扩大,主流对漩涡区的剪切面积增大,因此漩涡区两个漩涡中外侧的一个漩涡增大,内侧漩涡被挤压至离伞顶更近的区域.【期刊名称】《空气动力学学报》【年(卷),期】2011(029)003【总页数】8页(P288-294,301)【关键词】降落伞;充气过程;流场;数值模拟【作者】张红英;刘卫华;秦福德;童明波【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】V244.2160 引言在降落伞拉直、充气及稳定下降等一系列动作中，充气过程是影响其安全稳定性最为关键的环节，也是物理过程中最复杂的一个过程，因而成为了当前降落伞研究领域的热点及难点问题之一。
基于ALE方法的开缝降落伞充气过程研究
基于ALE方法的开缝降落伞充气过程研究高兴龙;高庆玉;张青斌;唐乾刚【摘要】Numerical study on the inflation of some life parachute (flat round slots) is investigated. The computational mechanic models as well as the finite element models of structure and flow field are built, then by utilizing the Arbitrary Lagrange-Euler(ALE) coupling method, the 3D dynamic results of Fluid-Structure Interaction (FSI) of parachute is presented. Canopy deformation rule and inflation forces are obtained. The simulation results validate the convergence and veracity of ALE method for computation of parachute inflation. This simulation technique could be used as a technical support for the parachute test.%为了解某型空投救生伞(平面圆开缝)的开伞特性,文章对其充气过程进行了数值模拟研究.建立了降落伞结构以及流场的计算力学和数值仿真模型,并利用任意拉格朗日-欧拉耦合方法计算得到了流固耦合作用下有缝降落伞的伞衣投影面积和充气过载的数值结果;同时给出了伞衣外形的三维变化结果及流场衍变特性.仿真结果验证了任意拉格朗日-欧拉有限元方法对于开缝型降落伞充气过程数值计算的收敛性和有效性,可用于降落伞试验的模拟和技术验证.【期刊名称】《航天返回与遥感》【年(卷),期】2013(034)001【总页数】8页(P13-20)【关键词】流固耦合;任意拉格朗日-欧拉方法;充气过程;开缝降落伞【作者】高兴龙;高庆玉;张青斌;唐乾刚【作者单位】国防科技大学航天科学与工程学院,长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】V441.81 引言降落伞空投过程可分为自由坠落、拉直、充气、稳定下降、着陆几个阶段[1]，其中充气过程的力学行为最为复杂，涉及到柔性织物的弹性变形与气动力的耦合作用，是典型的流固耦合问题。
降落伞初始充气阶段数值模拟
第41卷第2期2009年4月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Jou rnal of N an jing U n iversity of A eronau tics &A stronau ticsV o l .41N o.2 A p r .2009降落伞初始充气阶段数值模拟张红英 刘卫华 童明波 孙为民(南京航空航天大学航空宇航学院,南京,210016)摘要:根据降落伞的结构和其在充气过程中的受力特性,以某平面圆形伞为原型,建立了伞衣初始充气过程中的计算流体力学与结构动力学的耦合模型。
首次考虑了充气过程中折叠伞衣的张开问题,建立了更接近降落伞物理模型的初始充气阶段伞衣质点结构和受力方程。
对流场的变化采用了准定常假设,利用si m p le 算法数值模拟求解RN G k 2Ε湍流模型下的雷诺平均N 2S 方程以获得每一状态伞衣张开部分与折叠部分交界处质点的压差系数。
把数值计算结果和试验结果及经验值比较,得到如下结论:(1)初始充气阶段伞衣外形变化为:整个阶段,伞衣展开部分外形基本保持较光滑的直筒形状,而非喇叭形。
与试验结果相比,计算结果较真实地反映了初始充气阶段伞衣外形的变化情况。
(2)当无因次充气时间为0127左右时,初始充气阶段结束,伞衣投影面积随充气时间呈线性变化,计算值与实验值接近。
关键词:降落伞;初始充气;流固耦合;数值模拟中图分类号:V 24412;V 445 文献标识码:A 文章编号:100522615(2009)022******* 基金项目:国家自然科学基金(10872092)资助项目;航空科学联合基金(2008ZC 52037)资助项目;教育部博士点新教师基金(200802871063)资助项目。
收稿日期:2008205209;修订日期:2008212217 作者简介:张红英,女,博士研究生,讲师,1977年4月生,E 2m ail :zhanghy @nuaa .edu .cn 。
降落伞充气过程中“瓶颈”效应
降落伞充气过程中“瓶颈”效应程涵;余莉;夏刚【摘要】The inflation process of large-scale or extra large-scale parachute was investigated. The Arbitrary Lagrangian Eulerian ( ALE) Method-a Fluid-Structure Interaction (FSI) model, was used to simulate the inflation process of a main parachute (a ringsail parachute, which was used in manned spacecraft) in an infinite mass situation. The dynamic relationship between canopy shape and flow field was obtained, and the adverse inflation phenomena such as asymmetric inflation and whip were observed in simulation results. The "bottleneck" phenomenon in inflation process was found and verified by physical tests. Based on the analysis of calculation results, it is found that the large canopy area, the complicated canopy structure or high inflation speed can block the air mass into the parachute, which can cause the " bottleneck" phenomenon. But the necessary occurrence conditions of the phenomenon need to be studied in future. The present work is significant for explaining parachute working mechanism and preventing its failure.%以大型伞或特大型伞为研究对象,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法模拟某载人飞船主伞(环帆伞)在无限质量情况下的充气展开过程.计算获得了充气过程中,伞衣外形和流场之间的动态关系,数值模拟出非对称充气、伞顶甩打等不良充气现象,提出了充气过程存在“瓶颈”效应,通过大量的实物试验验证该效应的存在.通过结果分析发现“瓶颈”效应实质是由于伞衣面积大,伞衣结构复杂或开伞速度过大导致气团进入伞体受阻造成的,但其产生的具体必要条件尚有待进一步研究.结论对了解降落伞工作机理,防止开伞失效有重要意义.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】5页(P48-52)【关键词】降落伞;充气过程;ALE方法;流固耦合【作者】程涵;余莉;夏刚【作者单位】国防科技大学航天科学与工程学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V244.2大型伞或特大型伞一般具有名义面积大、开伞条件恶劣、充气时间长的特点，充气过程中，容易发生非对称充气、伞顶甩打、破损等失效现象。
降落伞充气过程的参数化仿真软件
降落伞充气过程的参数化仿真软件吕伯平;尚琨;高兴龙;张青斌【摘要】降落伞充气过程是典型的流固耦合问题,具有复杂的耦合动力学行为.基于ANSYS/LS-DYNA软件的参数化设计语言和任意拉格朗日欧拉算法开发了适合于航空伞型降落伞充气展开过程的三维仿真系统;介绍了系统主要算法思想和基本组成结构;以某型开缝降落伞的充气过程为例,通过人机交互界面输入伞形、伞衣几何尺寸、流场几何尺寸、伞衣材料等系统参数,数值模拟了降落伞开伞过程,得到了开伞过载,伞衣3D外形变化等计算结果,验证了仿真系统的有效性和可行性.该仿真软件可应用于降落伞低速空投试验和风洞试验的模拟和技术验证.【期刊名称】《系统仿真技术》【年(卷),期】2013(009)004【总页数】7页(P292-298)【关键词】LS-DYNA;降落伞充气过程;流固耦合;任意拉格朗日欧拉【作者】吕伯平;尚琨;高兴龙;张青斌【作者单位】空军装备部,北京100843;复杂航空系统仿真重点试验室,北京100076;国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙410073;国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V441.81 引言降落伞的地面试验和空投试验具有试验成本高、周期长和难度的大等局限性[1]。
研制降落伞充气展开仿真系统已逐渐成为降落伞充气领域的焦点问题，降落伞充气展开仿真系统可以对降落伞系统工作全过程进行整体的仿真模拟和评估，是研制、验证和改进降落伞系统的重要工具。
目前，国外由于对此问题研究较早，软件也较为丰富。
美国、欧空局、法国、俄罗斯、德国、西班牙等国的众多研究机构对降落伞充气展开仿真系统进行了研究，开发了相应的系统仿真软件[2－3]，但由于降落伞充气问题的复杂性，软件多为针对特定伞型开发，模型功能单一，且由于保密原因，无法获得相关的软件和模型。
国内国防科学技术大学[4]、南京航空航天大学[5]、北京航空航天大学[6]开展了相关方面的研究，但与国外相比，有较大差距。