非轴对称旋转降落伞系统耦合动态响应研究

降落伞系统是一种柔性软质气动力减速装置，在航天、航空和兵器领域已得到广泛应用，相关动力学问题已成为国内外工程界和学术界研究的热点和难点。现有研究主要以轴对称平面减速伞为研究对象，对非轴对称旋转伞系统的减速导旋耦合运动机理还缺乏较系统的研究，非轴对称旋转降落伞系统的运动稳定性及其控制已成为其应用和发展的瓶颈。.本课题采取理论建模、数值模拟和试验相结合的方法，主要研究非轴对称旋转降落伞系统在复杂边界条件下的耦合动态响应特性。考虑柔性伞快速大变形的非线性时变特性，建立刚柔耦合多柔体系统动力学模型及运动稳定性模型，基于CFD和CSM松耦合方法对其运动过程进行流固耦合数值模拟，并进行伞塔试验和风洞试验，系统地分析旋转伞系统的动不稳定性现象，着重探讨不同条件下系统的耦合动态响应特性，揭示旋转伞系统与空气流场的耦合作用机理，进而为其运动稳定控制提供一定的理论参考依据，同时对其推广应用和发展也有重要意义。

采用理论建模、数值模拟和试验相结合的方法，对非轴对称旋转降落伞系统的充气过程、气动特性以及非轴对称旋转降落伞-子弹系统的弹道特性和运动稳定性进行了系统地研究，为非轴对称旋转降落伞的结构优化设计和推广应用提供了理论依据和技术支持。.（1）以一种典型非轴对称旋转降落伞-子弹系统为研究对象，基于第一类拉格朗日方程和多体系统动力学理论，充分考虑伞系统的非轴对称性，建立了其运动过程的耦合多体系统动力学模型。将伞绳处理为阻尼弹簧，伞、弹等为刚体，用质心坐标和欧拉角作为广义坐标表达各刚体的位置，给出系统约束方程和广义力，建立了5刚体动力学方程，得到了系统的动力学响应特性。.（2）基于刚体运动规律和经典弹道方程，分别建立了单刚体和多刚体角运动稳定性模型。给出了旋转伞系统的复偏角方程和复摆动方程，获得了其在小扰动条件下的角运动规律。建立了角运动扰动方程，得到了系统运动稳定性判据，并分析了气动系数、伞结构及载物质量等对运动稳定性的影响。.（3）以一种涡环旋转伞为研究对象，基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）流固耦合方法，建立了可用于非轴对旋转降落伞系统运动过程中流固耦合问题的数值仿真方法。充分考虑了伞衣的透气性，建立了涡环伞系统和流场的有限元模型，在无限质量条件下对其充气展开过程进行了数值模拟，研究了涡环伞系统在不同结构参数及不同流场环境条件下的动态响应，得到了涡环旋转伞系统充气性能的影响规律及周围流场的衍变规律。同时，对其他常见的几种旋转降落伞的充气过程进行了仿真模拟和对比分析。.（4）为了解非轴对称旋转降落伞系统的充气可靠性、阻力特征和运动稳定性等特性，以涡环旋转伞为研究对象，设计了不同结构参数的试验模型，进行了伞塔投放试验和汽车拖曳实验。利用高速录像记录模型下落过程，姿态存储测量装置记录模型加速度变化和地磁变化，对数据进行处理得到了落速、转速变化及飞行时间，分析了不同伞衣幅结构及伞绳连接方式对其减速导旋性能的影响规律。利用图像处理技术提取弹道数据点，结合弹道模型，用最小二乘法拟合时间弹道数据，得到了极限速度和伞系统气动力参数。.此外，在已有研究方法和结果的基础上，进一步分析了本课题的学术亮点和制约本技术的关键技术，开展了有伞末敏弹系统全弹道运动仿真软件、全弹道红外辐射特性、新型减速伞-旋转伞组合高转速降落伞系统等研究。