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        重裝空投系統(tǒng)分析與建模

        2017-08-07 06:22:31張煜,肖曉暉
        艦船電子工程 2017年7期
        關(guān)鍵詞:傘衣重裝拉直

        重裝空投系統(tǒng)分析與建模

        張煜肖曉暉

        (武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院武漢430072)

        針對(duì)重裝空投空中軌跡預(yù)測(cè)精度不高的問(wèn)題,細(xì)化重裝空投系統(tǒng)模型,將其抽象為由幾種基本動(dòng)力學(xué)模型組合成的多體系統(tǒng),對(duì)比建模數(shù)值仿真計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果,表明這一方法能夠較為精確地模擬出重裝空投空中運(yùn)動(dòng)軌跡。

        重裝空投系統(tǒng);分析;建模;驗(yàn)證

        Class NumberV21

        1 引言

        重裝空投系統(tǒng)是一種復(fù)雜的多級(jí)多傘系統(tǒng)[1~2],國(guó)內(nèi)外研究了多種計(jì)算模型[3~4],但多針對(duì)特定系統(tǒng)而不完全適用于重裝空投系統(tǒng)。重裝空投受自身復(fù)雜性和空中風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的影響,難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)空中運(yùn)動(dòng)軌跡,從而影響空投精度。本文將重裝空投系統(tǒng)抽象為由幾種基本動(dòng)力學(xué)模型組合成的多體系統(tǒng),最后通過(guò)對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果和真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

        2 重裝空投系統(tǒng)工作過(guò)程分析

        重裝空投系統(tǒng)一般包含牽引傘系統(tǒng)、主傘系統(tǒng)、平臺(tái)、系留裝置、脫離裝置、投物等??胀稌r(shí),首先打開(kāi)脫離鎖使?fàn)恳齻銈惆撾x飛機(jī)。開(kāi)傘拉繩拉斷封包繩,扭簧彈開(kāi)制動(dòng)幅上的鼓風(fēng)袋,牽引傘傘包在空氣阻力作用下減速,并從傘包套圈中拉出牽引繩。牽引繩拉直后,拉出插銷,打開(kāi)牽引傘傘包,拉出牽引傘傘繩和傘衣,牽引傘充氣并張滿。牽引繩張力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)將保險(xiǎn)剪切銷剪斷,解除鎖銷對(duì)投物的約束。牽引傘通過(guò)牽引鎖拉動(dòng)投物,在牽引繩張力作用下,投物從艙內(nèi)滑出,受到滾棒的摩擦阻力和飛機(jī)尾流阻力,通過(guò)飛機(jī)貨艙門時(shí),牽引鎖打開(kāi)。牽引繩拉動(dòng)轉(zhuǎn)向繩,打開(kāi)輔助引導(dǎo)傘傘包的系留帶,拉動(dòng)輔助引導(dǎo)傘傘包和主傘傘包連接繩。然后從輔助引導(dǎo)傘傘包內(nèi)拉出輔助引導(dǎo)傘中心繩(同時(shí)拉出傘繩和傘衣)。輔助引導(dǎo)傘充氣,同時(shí)拉出主傘包并拉直吊帶。隨后拉斷主傘包封包繩,拉出主傘連接繩和減速傘系統(tǒng)使減速傘充氣。輔助引導(dǎo)傘繼續(xù)拉出主傘連接繩、主傘傘繩和傘衣,在主傘拉直前減速傘已充滿。主傘在拉直后開(kāi)始充氣。當(dāng)收口繩張緊后,主傘阻力特征不再增加,直到切割器工作后將收口繩切斷,主傘增加阻力特征到完全充滿為止,然后穩(wěn)降著陸。

        3 重裝空投系統(tǒng)建模

        根據(jù)重裝空投系統(tǒng)的組成和運(yùn)動(dòng)特性建立基本模型如下。

        3.1 三自由度質(zhì)點(diǎn)模型

        如圖1,傘包、轉(zhuǎn)接頭等無(wú)需考慮姿態(tài)的部件采用3自由度(可變質(zhì)量)質(zhì)點(diǎn)表述,由動(dòng)量定理可知[5]:

        正在拉直的部分質(zhì)量微元dm

        L T

        傘衣套

        v2

        v1

        已拉直的部分未拉直的部分

        圖1拉直階段簡(jiǎn)化模型

        3.2 六自由度剛體模型

        投物為六自由度剛體,其體軸系下(動(dòng)系)動(dòng)力學(xué)方程矢量形式為[6]

        一般投物的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩矢量表達(dá)式如下[7]

        3.3 六自由度降落傘模型

        降落傘為考慮附加質(zhì)量的六自由度變質(zhì)量體,根據(jù)體軸系(動(dòng)坐標(biāo)系)下歐拉運(yùn)動(dòng)方程一般形式[6,9~11]:

        推導(dǎo)得到與投物動(dòng)力學(xué)方程相似降落傘動(dòng)力學(xué)方程如下[12~14]:

        降落傘的質(zhì)量張量M和慣量張量J為自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量Mp/慣量Jp與附加質(zhì)量Madd/慣量Jadd的和[7~8]:

        傘衣包裹空氣質(zhì)量ma和附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般采用如下表達(dá)式:

        其中,Rp為降落傘的參考半徑,ρ為空氣密度,ε為經(jīng)驗(yàn)算法系數(shù)。

        3.4 降落傘充氣過(guò)程計(jì)算模型

        為簡(jiǎn)化計(jì)算作如下假設(shè)[5]:

        1)設(shè)投物和降落傘的運(yùn)動(dòng)為雙質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

        2)忽略二者的升力,不考慮風(fēng)的影響。物傘系統(tǒng)是平面運(yùn)動(dòng)。

        3)充氣過(guò)程中物傘二者的軸線始終重合。

        4)忽略傘系統(tǒng)的彈性影響,物傘兩者的相對(duì)位置保持不變,顯然vs=vw。式中,mw為投物質(zhì)量;ms為降落傘質(zhì)量;mf為降落傘附加質(zhì)量;dmf/dt為降落傘附加質(zhì)量變化率;vwx為投物水平速度;vwy為投物豎直速度;t為時(shí)間;gn為重力加速度。

        降落傘阻力:

        式中,ρ為大氣密度;(CA)為降落傘阻力特征。開(kāi)傘動(dòng)載計(jì)算公式:

        傘衣一次收口充氣的三個(gè)階段分別是:tm,1段,從傘衣開(kāi)始充氣到傘衣呈“燈泡”狀,這個(gè)階段傘衣阻力特征相對(duì)時(shí)間呈線性函數(shù)關(guān)系;tm,2段,收口狀傘衣呈“燈泡”狀后,傘衣阻力特征保持一個(gè)常數(shù)(CA)sk;tm,3段,從傘衣解除收口開(kāi)始至傘衣完全充滿,傘衣阻力特征達(dá)到一個(gè)定值(CA)s,這個(gè)階段傘衣阻力特征相對(duì)時(shí)間為n次冪函數(shù)的關(guān)系。

        ty為傘衣收口階段,ty=tm,1+tm,2。n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),本次取2。

        λm,1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取23.5;vL為降落傘拉直速度。

        λm,3為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取4.3;vDR為收口結(jié)束時(shí)系統(tǒng)的速度。

        降落傘充氣過(guò)程的計(jì)算必須考慮附加質(zhì)量的影響,降落傘的附加質(zhì)量與降落傘的形狀、尺寸、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、透氣量和空氣密度等因素相關(guān),工程上常采用經(jīng)驗(yàn)公式。

        降落傘附加質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)公式:

        式中,kf為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取0.66。對(duì)時(shí)間t求微分就可以得到附加質(zhì)量變化率dmf/dt。

        4 仿真分析

        為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性,以投物自由墜落過(guò)程為驗(yàn)證算例進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算,取投物總質(zhì)量1000kg,機(jī)速320km/h。2000m高度以下,投物離機(jī)后的垂直墜落距離、垂直墜落速度隨時(shí)間的變化情況計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖2和圖3所示。

        從圖2和圖3的對(duì)比中可以看出計(jì)算結(jié)果與參考結(jié)果吻合程度較好,最終墜落速度均為50m/s左右。說(shuō)明本文建立的模型是有效的,對(duì)實(shí)際空投有一定的參考價(jià)值。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)重裝空投系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,將其抽象為由適用于降落傘拉直的三自由度質(zhì)點(diǎn)模型、適用于投物的六自由度剛體模型、適用于降落傘工作階段考慮附加質(zhì)量的六自由度變質(zhì)量體模型等組合成的多體系統(tǒng),通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性,有助于較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)重裝空投空中運(yùn)動(dòng)軌跡。

        參考文獻(xiàn)

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        [4]程文科.一般降落傘-載荷系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其動(dòng)穩(wěn)定性分析[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),2000.

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        [8]J.A.Eaton,Validation of a Computer Model of a Parachute[D].Leicester:University of Leicester,1982.

        Modeling and Analysis of Heavy-load Airdrop System

        ZHANG YuXIAO Xiaohui
        (College of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan430072)

        According to the problem of low precision of heavy-load airdrop trajectory prediction,improved heavy-load airdrop model which is a multibody system formed by several fundamental dynamic models.The comparison of simulation and experiment test results illustrate this method could precisely simulate the heavy load trail in the air.

        heavy-load airdrop system,analysis,modeling,verification

        V21

        10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.017

        2017年1月10日,

        2017年2月14日

        張煜,男,碩士研究生,研究方向:動(dòng)力學(xué)建模與仿真。肖曉暉,女,博士,教授,研究方向:微/納米機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)與精密控制。

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