包進進 雷江利 賈賀
(北京空間機電研究所,北京 100094)
傘包拉出過程仿真及載荷影響分析
包進進 雷江利 賈賀
(北京空間機電研究所,北京 100094)
航天器回收著陸過程中依靠減速傘將主降落傘傘包從傘艙中拉出是主降落傘順利工作的第一步,也是航天器能否安全著陸至關重要的一步。釋放減速傘后是通過作用在減速傘傘帶及主降落傘傘包拖帶上的拉力將主降落傘傘包從主傘艙中拉出的,在釋放減速傘拉主降落傘傘包過程中將產生一個很大的載荷作用在減速傘傘帶及主降落傘傘包拖帶上。文章基于牛頓力學,通過建立釋放減速傘后拉主降落傘傘包過程的動力學模型,計算出釋放減速傘拉主降落傘傘包過程減速傘傘繩、吊帶及主傘包拖帶的拉力隨時間的變化情況。通過仿真結果分析及與高塔投放試驗結果比對,證明了仿真模型的符合性,并在此基礎上研究了減速傘自由行程、釋放減速傘時下落速度、傘帶長度、傘帶斷裂強力、主傘包質量、減速傘尺寸等因素對傘帶載荷的影響程度,根據影響分析結果得出可以通過減小減速傘自由行程、減小釋放減速傘時速度、增加傘繩長度、減小傘帶總斷裂強力、減小主傘包質量、減小主傘包尺寸等設計方法來減小傘帶載荷。文章的仿真結果可以為降落傘設計提供參考。
拉主傘包 傘繩 吊帶 主傘包拖帶 載荷 影響因素 回收著陸
航天器回收著陸過程中依靠減速傘將主降落傘傘包從傘艙中拉出是主降落傘順利工作的第一步,也是航天器能否安全著陸至關重要的一步[1-5]。航天器減速著陸應用的主降落傘在工作前是以折疊包裝狀態存儲于主降落傘傘包中并置于航天器內部的主降落傘傘艙當中,當航天器進入大氣層到達預定的時間點,回收著陸控制裝置發送釋放減速傘指令,減速傘釋放后利用減速傘拉力將主降落傘傘包從主傘艙中拉出,并采用倒拉方式將傘帶及傘衣依次有序拉直,隨后傘衣充氣,從而達到利用主降落傘氣動阻力最終實現航天器減速至安全著陸速度的目的。
減速傘釋放后是通過作用在減速傘傘帶及主降落傘傘包拖帶上的拉力將主降落傘傘包從主傘艙中拉出的,在釋放減速傘拉主降落傘傘包過程中將產生一個很大的載荷作用在減速傘傘帶及主降落傘傘包拖帶上,這個載荷的評估結果直接關系著繩帶設計載荷,在以往型號的研制過程中對減速傘釋放拉主降落傘傘包的繩帶載荷都是通過經驗公式近似計算得到的,由于經驗公式中對整個減速傘釋放后拉主降落傘傘包過程是通過采用系列平均值進行簡化計算,大量的簡化平均可能會對計算結果產生較大影響。并且由于減速傘釋放拉出主降落傘傘包并拉直主降落傘后,主降落傘傘包將隨減速傘一起與主降落傘-航天器系統分離,這就導致拉傘包過程的繩帶載荷很難在模擬真實工況下進行測量。
綜合上述情況,本文基于牛頓經典力學通過建立減速傘釋放后拉主降落傘傘包過程的動力學方程,計算出釋放減速傘拉主降落傘傘包過程的減速傘傘繩、吊帶及主傘包拖帶的拉力隨時間的變化情況,通過結果分析及與高塔投放試驗結果比對,證明仿真結果的符合性,并在此基礎上研究了拉力峰值的影響因素。本文的仿真結果可以為降落傘設計提供參考。
減速傘一般由減速傘傘衣、傘繩、中間連接件、連接帶、吊帶等部分組成,減速傘釋放后,減速傘在其自身氣動力作用下減速運動,并通過減速傘吊帶與主傘包拖帶之間的連接件拉動并拉直主傘包拖帶,進而拉動主傘包出艙。
釋放減速傘拉主傘包過程系統組成及連接形式如圖1所示,包括減速傘傘衣、減速傘傘繩、減速傘吊帶、減速傘傘繩和吊帶間的連接件、主傘包拖帶、減速傘吊帶和主傘包拖帶間的連接件、主傘包。文中所指的傘帶為減速傘傘繩、減速傘吊帶、主傘包拖帶的統稱。
2.1 基本假設
在減速傘拉主傘傘包過程中,受力情況十分復雜,本文的仿真工作中,進行如下簡化假設:
1)減速傘和主傘包在每一瞬時的運動都遵循同一條軌跡,且運動方向與重力方向相同;
2)僅考慮重力、氣動力、傘帶拉力,不考慮主傘包和主傘艙間的摩擦阻力;
3)傘帶只能拉伸不能壓縮,在拉伸過程中的受力嚴格按照其材料試驗獲得的靜態應力—應變曲線;
4)將主傘包視為剛體,不考慮受力過程中的柔性變形;
5)不考慮減速傘運動過程中的扭矩。
2.2 動力學模型
本仿真所建動力學模型[6-10]將減速傘組件、減速傘傘繩和吊帶間的連接件、減速傘吊帶和主傘包拖帶間的連接件、主傘傘包視為質點,考慮減速傘傘繩、吊帶和主傘包拖帶為柔性帶,取兩個中間連接件為無限小質量點[11-16],如圖2所示。
式中 v1為減速傘運動速度;t為物傘系統運動時間;Fs1為減速傘傘繩拉力;Fd為減速傘氣動阻力;m1為減速傘質量(包括結構質量和附加質量[17-18]);gn為地球重力加速度;h1為減速傘距地面高度;v2為中間連接件1運動速度;Fs2為減速傘吊帶拉力;m2為中間連接件1質量;h2為中間連接件距地面高度;v3為中間連接件 2運動速度;Fs3為主傘包拖帶拉力;m3為中間連接件 2質量;h3為中間連接件2距地面高度;v4為主傘包運動速度;m4為主傘包質量;h4為主傘包距地面高度。
其中,當傘帶受拉力伸長后傘帶拉力計算模型如下:
式中 FSi為傘帶拉力;ni為傘帶根數;Fki為傘帶斷裂強力;εi為傘帶斷裂伸長率;Li為傘帶拉伸后長度;Li0為傘帶原長;i=1、2、3,其中i=1代表減速傘傘繩,i=2代表減速傘吊帶,i=3代表主傘拖帶;ki為中間變量。
3.1 仿真結果校核
通過分析,減速傘釋放拉主傘包的運動過程主要分為以下幾個階段:
階段 1:返回器釋放減速傘后,由于減速傘氣動力大于減速傘重力,減速傘做減速運動,此時主傘包與返回艙以相同的加速度加速下落;
階段 2:當主傘包拖帶開始受力,主傘包的加速度開始小于返回艙加速度,主傘包與返回艙開始有相對速度,主傘包與返回艙開始分離,此時,由于帶子的拉力小于減速傘氣動力與減速傘重力的差,因此減速傘保持減速運動;
階段3:當主傘包拖帶的拉力開始大于主傘包的重力,主傘包開始減速運動;
階段 4:當主傘包拖帶拉力開始大于減速傘氣動力與減速傘重力的差,減速傘速度達到最小值,減速傘開始加速運動,但此時主傘包速度大于減速傘速度,因此帶子繼續拉伸;
階段 5:當減速傘速度與主傘包速度相同時,帶子達到最大伸長量,開始回縮,此時,帶子受到最大的拉力。
為了對仿真結果進行較核,首先選用相關系統參數及初始條件進行仿真計算,仿真結果如圖3所示。
通過仿真結果可以看出主傘包拖帶拉力峰值出現在減速傘速度與主傘包速度相等那一時刻,這與上述減速傘拉主傘包運動過程分析吻合。
3.2 高塔投放試驗結果比對驗證
為了驗證傘帶設計斷裂強力,針對主傘包拉出過程進行了高塔投放試驗,具體試驗情況如圖4所示。通過高塔投放試驗測得主傘包投放過程中傘帶的拉力。為了驗證本文的動力學模型,針對此次高塔投放試驗進行了兩種工況下的仿真分析,具體工況的仿真結果為:
工況一:在下降高度為15m、圖4中鋼絲繩采用12m長的芳綸帶條件下,傘帶最大拉力試驗結果為55kN,仿真結果為70kN,誤差為27.3%;
工況二:在下降高度為30m、圖4中鋼絲繩采用17m長的芳綸帶條件下,傘帶最大拉力試驗結果為83kN,仿真結果為99kN,誤差為19.5%。
分析仿真結果與試驗結果的偏差主要是仿真過程未考慮高塔塔壁上下晃動吸收的能量、以及高塔投放時主副鉤間有距離使得傘包速度方向并非完全與重力方向一致等,因此仿真結果較試驗結果偏大,根據仿真結果,采用修正系數來修正仿真結果與試驗結果的偏差,修正系數取24%(即認為仿真結果較高塔投放測量結果偏大24%)。按修正系數進行修正后仿真結果與試驗結果比對如下:
工況一:在下降高度為15m、鋼絲繩為12m長的芳綸帶條件下,傘帶最大拉力試驗結果為55kN,修正后結果為68.2kN,仿真結果為70kN,基本吻合;
工況二:在下降高度為30m、鋼絲繩為17m長的芳綸帶條件下,傘帶最大拉力試驗結果為83kN,修正后結果為102.9kN,仿真結果為99kN,基本吻合。
但實際飛行過程中不存在高塔投放試驗過程中相關影響因素,因此,可以認為仿真動力學模型正確可行。
為了進一步分析減速傘拉主傘包過程中傘帶載荷峰值的影響因素及影響程度,本文從減速傘自由行程、釋放減速傘時的艙傘系統速度、傘帶長度、傘帶斷裂強力、主傘包質量、減速傘尺寸等幾個設計因素仿真研究了其對主傘包最大拉力的影響程度。
4.1 減速傘自由行程
一般在減速傘釋放到傘帶拉直都會有一段減速傘自由運動階段,此段自由行程的長短取決于減速傘吊掛點到主傘包間傘帶布局方式和返回器姿態等,此階段的減速傘和主傘包都不受傘帶的拉力約束。本節主要研究減速傘自由行程對主傘包最大拉力的影響。仿真結果如表1和圖5所示。
通過表1和圖5可以看出,主傘包的最大拉力隨著減速傘自由行程的增大而增加,增加趨勢近似為線性增大。在自由行程0~1.2m范圍內,最大拉力的最大值約為最小值的1.75倍。
綜上,為了減小拉主傘包過程中的最大拉力,可以通過結構布局來減小減速傘的自由行程的方式實現。

表1 不同減速傘自由行程對應的主傘包最大拉力Tab.1 The maximum force of pulling main parachute pack with different drogue parachute free path
4.2 減速傘釋放時下落速度
一般航天器回收過程中包含多種回收模式,不同的模式對應的減速傘釋放時艙傘系統下落速度有很大差異,本節主要研究減速傘釋放時艙傘系統的下落速度對主傘包最大拉力的影響。仿真結果見表2和圖6所示。
通過表2和圖6可以看出,主傘包的最大拉力隨著釋放減速傘時艙傘系統下落速度的增大而增加,增加趨勢為線性增大。在下落速度為85~137m/s范圍內,最大拉力的最大值約為最小值的2倍。
綜上,為了減小拉主傘包過程中的最大拉力,可以通過選擇較小的釋放減速傘時艙傘系統下落速度來實現。在進行傘帶斷裂強力設計時要充分復核各種偏差和極限工況下的釋放減速傘時艙傘系統最大下落速度對應的主傘包最大拉力。

表2 不同減速傘釋放時艙傘系統下落速度對應的主傘包最大拉力Tab.2 The maximum force of pulling main parachute pack with different drogue parachute release velocity
4.3 傘帶長度
不同任務對應的減速傘拉主傘包的傘帶長度有很大差別,本節主要研究傘帶長度對主傘包最大拉力的影響。仿真結果如表3和圖7所示。由于本文采用的動力學模型中涉及的傘帶包括減速傘傘繩、減速傘吊帶、主傘包拖帶,其中減速傘傘繩為13.1m,減速傘吊帶為2.4m,主傘包拖帶為0.75m,因此,減速傘傘繩較其他兩種傘帶的長度長很多,為了簡化仿真,本節只針對減速傘傘繩的長度變化進行研究。

表3 不同的減速傘傘繩長度對應的主傘包最大拉力Tab.3 The maximum force of pulling main parachute pack with different suspension lines length
通過表3和圖7可以看出,主傘包最大拉力對減速傘傘繩長度的增加而減小,減小趨勢為近似線性減小。由于總傘帶長度包括減速傘吊帶和主傘包拖帶的長度,而本次仿真這兩部分傘帶長度不變,因此可以認為主傘包最大拉力與傘帶長度呈線性減小。
綜上,為了減小拉主傘包過程中的最大拉力,可以通過適當的增大傘帶長度的方式來實現。
4.4 傘帶斷裂強力
不同任務采用的傘帶材料和根數不同,導致傘帶的斷裂強力不同。本節主要研究傘帶斷裂強力對主傘包最大拉力的影響。首先研究了主傘包拖帶斷裂強力對主傘包最大拉力的影響。仿真結果見表4和圖8所示。

表4 不同的主傘包拖帶斷裂強力對應的主傘包最大拉力Tab.4 The maximum force of pulling main parachute pack with different bridle harness intensity
通過表4和圖8可以看出,主傘包最大拉力受主傘包拖帶斷裂強力的影響不大,這主要是由于傘帶的組成中大部分是由減速傘傘繩和減速傘吊帶組成。因此為了進一步研究傘帶的斷裂強力對主傘包最大拉力的影響,本節采用不同標稱傘帶設計斷裂強力的倍數對應的傘帶斷裂強力進行仿真,仿真結果見表5和圖9所示。
通過表5和圖9可以看出,主傘包最大拉力隨傘帶斷裂強力的增大而增大,其中,主傘包最大拉力與標稱設計傘帶斷裂強力的倍數呈線性增加關系。
綜上,為了減小主傘包最大拉力,單獨調整主傘包拖帶的斷裂強力是不起作用的,但可以通過減小整個傘帶各部分的斷裂強力的方式來實現。

表5 不同的傘帶斷裂強力對應的主傘包最大拉力Tab.5 The maximum force of pulling main parachute pack with different suspension and bridle intensity
4.5 主傘包質量
不同任務對應的主降落傘不同,導致主降落傘質量不同,本節主要研究主傘包質量對主傘包最大拉力的影響。仿真結果如表6、圖10和圖11所示。
通過表6、圖10和圖11可以看出,在主傘包正常的質量范圍內,主傘包最大拉力隨主傘包質量的增加而增大,但當主傘包質量急劇增大的情況下(此種情況為主傘包卡滯、未出艙情況),主傘包最大拉力將不再明顯增加。
通過上述結論,可以在確定了減速傘方案和與主傘包連接方案后,可以計算得到拉主傘包過程中作用在傘帶上的極限拉力。

表6 不同的主傘包質量對應的主傘包最大拉力Tab.6 The maximum force of pulling main parachute pack with different main parachute pack mass
4.6 減速傘尺寸
減速傘尺寸也是影響主傘包最大拉力的因素之一,本節主要研究減速傘尺寸對主傘包最大拉力的影響。仿真結果見表7和圖12所示。
通過表7和圖12可以看出,主傘包最大拉力隨著減速傘名義直徑的增加而增大,并呈線性增長。因此,更大的減速傘將帶來更大的主傘包最大拉力。

表7 不同的減速傘尺寸對應的主傘包最大拉力Tab.7 The maximum force of pulling main parachute pack with different drogue parachute sizes
1)主要研究了減速傘自由行程、釋放減速傘時的艙傘系統速度、傘帶長度、傘帶斷裂強力、主傘包質量、減速傘尺寸等幾個設計因素對主傘包最大拉力的影響,具體的結論如下:
2)主傘包的最大拉力隨著減速傘自由行程的增大而增加,增加趨勢近似為線性增大。在自由行程0~1.2m范圍內,最大拉力的最大值約為最小值的1.75;
3)主傘包的最大拉力隨著釋放減速傘時艙傘系統下落速度的增大而增加,增加趨勢為線性增大。在下落速度為85~137m/s范圍內,最大拉力的最大值約為最小值的2;
4)主傘包最大拉力隨傘帶長度的增加而減小,增加趨勢為線性減小;
主傘包最大拉力隨傘帶斷裂強力的增大而增大,其中,主傘包最大拉力與標稱設計傘帶斷裂強力的倍數呈線性增加關系;
5)在主傘包正常的質量范圍內,主傘包最大拉力隨主傘包質量的增加而增大,但當主傘包質量急劇增大的情況下(此種情況為主傘包卡滯、未出艙情況),主傘包最大拉力將達到極限值、不再明顯增加;
6)主傘包最大拉力隨著減速傘名義直徑的增加而增大,并呈線性增長。
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Simulation of Pulling Main Parachute Pack and Influencing Factors Analysis on Loads
BAO Jinjin LEI Jiangli JIA He
(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)
Pulling out the main parachute pack by a successful released drogue parachute is a crucial step in recovery process of spacecraft. Large load on suspension lines, bridle legs, and bridle harness has been encountered. In this paper, by the dynamic model of drogue parachute release and pulling main parachute pack after releasing the drogue parachute, the load on suspension lines, bridle legs, bridle harness is calculated. Simulation model is confirmed by the results analysis and comparison with tower drop test data. The influences of drogue parachute free path and release velocity, suspension lines length, suspension and bridle intensity, main parachute pack weight and drogue parachute size on the load have been studied based on simulation results. The results of the analysis indicate that reduced drogue parachute free path and release velocity, increased suspension lines length, reduced suspension and bridle intensity, reduced main parachute pack weight, and reduced drogue parachute size can decrease the suspension and bridle load. The simulation results in this paper can provide theoretical basis for parachute design.
pull main parachute pack; suspension lines; bridle legs; bridle harness; Load; Influencing factors; recovery and landing
V275
A
1009-8518(2017)03-0031-12
10.3969/j.issn.1009-8518.2017.03.004
包進進,女,1984年生,2011年獲中國空間技術研究院航天器返回與著陸專業碩士學位,工程師。研究方向為航天器返回與著陸技術。E-mail: bjj0524@163.com。
(編輯:劉穎)
2017-01-03