环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用.pdf
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1、第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 21 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 Ringsail Parac
2、huteJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):21-31.(in Chinese)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
3、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:
4、V445.2+3 文献标志码:A 文章编号:1009-8518(2023)03-0021-11 DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.003 Inflatable Simulation Research and Application of Reefed Ringsail Parachute LIU Kang1 BAO Wenlong1 XUE Xiaopeng2 WU Zhuangzhi3 RONG Wei1,*(1 Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094,China)
5、(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 s
6、ize,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 me
7、thod 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 simul
8、ation after the reefing line failed are feasible.Meanwhile,canopy projected area and volume curves are processed from the simulation data,22 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.Fina
9、lly,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 inf
10、lation performance analysis.Keywords reefing line;ringsail;fluidstructure interaction;numerical simulation;dynamic model;opening load 0 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。充气阶段是降落伞工作过程中最重要、也是物理过程最为复杂的一个阶段,属于典型的流固耦合问题,涉及到的流体力学和结构力学问题极其复杂。在充气过程中,伞衣阻力面积突然增大使得伞衣、伞绳和吊带承受最大开伞力。在这个过程中有可
11、能发生伞衣破损、伞绳断裂等降落伞失效现象,从而影响回收系统的工作成败。因此,降落伞充气过程的研究一直是研究人员关注的重点,从 20 世纪 20 年代至今,有关降落伞充气过程的研究持续了一百多年,国内外诸多学者在此方面做了大量的研究工作1-6。随着计算机技术的发展,越来越多的学者采用流固耦合数值仿真方法研究降落伞的充气过程。然而目前有关降落伞充气过程的仿真研究中7-11,大多是从某一设定的收拢状态开始充气,这使得初始进气口大小的设置存在因人而异的问题,且与实际情况存在偏差,一方面导致充气时间、开伞载荷以及充气过程中投影面积的变化规律均存在着偏差,相关的仿真结果数据也不便利用,另一方面导致仿真验证
12、也往往只能是通过充满状态时的阻力特性或阻力系数来说明,存在仿真验证充分性不足的缺点。事实也表明,降落伞充气的初始状态不同,其充气过程中的气动特性也不同12。而有关降落伞从收口状态开伞的仿真研究,也由于没有考虑收口装置的控制,仿真缺少保持收口状态的过程,因而解除收口前的状态与实际收口状态存在偏差,导致充气展开过程的仿真也与实际情况不符。环帆伞作为一种常用的降落伞伞型,因其具有较高的阻力系数、良好的稳定性以及较强的抗撕裂能力,而成为各种航天器回收着陆系统的首选,例如:“水星”(Mercury)系列飞船、“双子座”(Gemini)系列、“阿波罗”(Apollo)系列和“猎户座”(Orion)系列等1
13、3。在我国航天器回收着陆系统中,包括“神舟”系列飞船14、返回式卫星、“嫦娥五号”返回器15所用主伞全都采用的是环帆伞,同时为了减小开伞载荷,均采用了收口控制技术来控制伞衣的展开并增加减速行程。考虑到降落伞收口状态的设计是确定的,因此,本文在仿真模型中增设收口绳结构,并通过单元失效的方式实现收口绳控制,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,解决降落伞充气展开仿真过程中时间零点、充气时间、开伞载荷以及充气过程中伞衣特性变化规律与实际使用状态不一致的问题,同时也可丰富验证参数,解决仿真验证的充分性不足和仿真结果利用受限等问题。最后,利用仿真数据得到了降落伞的阻力面积和附
14、加质量等充气特性变化规律,结合物伞系统动力学模型,实现了物伞系统开伞载荷的预测分析。1 研究对象 本文研究对象为某型号环帆伞,主要结构参数如表 1 所示,其伞衣幅由 4 环 6 帆组成,共 24 幅,结构如图 1 所示,总长h为 3 970 mm,上宽al为 52 mm,下宽bl为 989 mm;环高rh为 1 640 mm;帆高sh为2 250 mm;环缝宽度r 为 40 mm。第 3 期 刘康 等:环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用 23 表 1 环帆伞主要结构尺寸 Tab.1 Ringsail main structural dimensions 名义面积/m2 名义直径/m 环数
15、/个 帆数/个 伞衣幅数/个 收口绳长度/mm 50.3 8.003 4 6 24 4 750 图 1 伞衣幅结构示意图 Fig.1 Diagram of gore structural 2 收口开伞仿真方法 2.1 收口环帆伞仿真模型 环帆伞收口状态几何建模采用伞衣幅对折的方式,折叠建模示意如图 2 所示。首先在伞衣面局部坐标系OX Y Z 中根据收口绳长度确定出伞衣幅上每片伞衣的对折状态以及骨架尺寸(见图 2(a);然后由骨架尺寸根据伞衣幅旋转重合的基本原则在全局坐标系OXYZ中确定出骨架的空间位置(见图 2(b);最后将折叠好的伞衣面覆盖在对应骨架上,然后旋转伞衣幅生成环帆伞几何模型。(
16、a)伞衣幅折叠示意图 (b)骨架空间位置关系(a)Schematic diagram of gore folding (b)Ribs spatial position relation 图 2 环帆伞折叠建模示意图 Fig.2 Schematic diagram of ringsail folding 在几何建模的基础上,为仿真模型添加了收口绳结构(见图 3),并在仿真中通过单元失效的方式实现收口绳控制。单元失效在仿真中通过设定生效时间进行,即解除收口时刻,设置生效时会删除被赋予了指定材料的所有网格单元,因此需要为收口绳建立独立的材料属性,避免错误删除,同时单元的删除发生在一个仿真时间步长以内
17、,因而删除操作不会对仿真计算带来不必要的影响。此外,由于单元失效设置无法作用于 1D(Linear Dimension)单元,且单元类型对收口绳的约束作用不存在影响,故收口绳采用了 2D四边形网格单元。实际情况中,环帆伞在解除收口前已经处于收口稳定工作状态,其伞衣外形和与之匹配的流场状态均不是通过建立仿真模型 图 3 收口环帆伞仿真网格模型 Fig.3 Reefed ringsail simulation model 24 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 能够得到的,为此仿真中需要先保持伞衣的收口状态计算一段时间,使模型伞衣获得合理且稳定的收口状态外形,确保解除收口时的状
18、态及其后的充气展开过程与实际情况一致。2.2 流场仿真模型 仿真模型中流场网格数量巨大,直接决定仿真的时间成本。为了尽可能地节约计算资源并保证计算精度,选择了圆柱形流场(见图 4),其直径为 40D,高度为 50D,0D为降落伞名义直径,伞衣顶部距流场顶部约 30D,为尾流区的计算预留了较充足空间。另外,流场网格围绕环帆伞所在区域进行了加密,形成横向和纵向加密区。(a)正视图 (b)俯视图(a)Front view (b)Top view 图 4 流场仿真网格模型 Fig.4 Fluid simulation model 整体上,仿真模型网格单元总数约 1.33107,详细信息如表 2 所示。
19、表 2 网格单元类型及数量 Tab.2 Mesh element type and number 结构名称 单元类型 网格数量/个 流场 3D 1.328107 伞衣 2D 11 280 伞绳 1D 2 160 加强带 1D 6 720 收口绳 2D 48 2.3 仿真设置 该环帆伞实际解除收口时的环境条件如表 3 所示,由于来流马赫数小于 0.3,故不考虑气体的可压缩因素,流固耦合仿真计算使用单点积分 ALE 算法,控制方程如下16 ffffmffffffmffffffffmsssssssdiv()graddiv gradgradgraddivgra)()d(ttEEttEt=+=+=+=+
20、:vvvvfvvvvfvvvvfvf v(1)第 3 期 刘康 等:环帆伞解除收口充气展开过程数值模拟及应用 25 式中 t为时间;f、s分别为流体网格节点和结构体网格节点的密度;fv为流体运动速度;sv为结构体运动速度;mv为网格运动速度;f为节点受力;E为节点能量;f、s分别为流体网格节点和结构体网格节点的应力张量。式(1)中,前三项是流体控制方程,依次为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程;后两项为结构体控制方程,依次为动量守恒方程和能量守恒方程。仿真初始条件如表 3 所示。仿真步长设置为 8106 s,使用质量缩放的方式调控。当模型中某些单元的步长小于设定的全局步长时,质量缩放会增
21、加这些单元的实际质量使其步长达到设定的时间步长。本文仿真模型中添加的额外质量占比为 0.043%,且集中在加强带部分,环帆并无添加,因而可以忽略使用质量缩放带来的影响。表 3 仿真初始条件 Tab.3 Simulation initial conditions 参数名称 设定值 大气压强/Pa 61 500 大气密度/(kgm3)0.840 5 气体粘度/(Pas)1.690105 来流速度/(m/s)35 来流动压/Pa 514.81 3 仿真结果分析与验证 3.1 伞衣外形变化 收口稳定状态以及解除收口后的开伞充气仿真,每隔 0.1 s 获取的伞衣外形如图 5 所示,各个时刻参考比例一致,
22、相对位置参考点一致。从图 5 中可以看出,伞衣保持收口状态时的进气口面积略小于其投影面积(见图 5(a),故在解除收口绳后,进气口最先发生变化,并迅速张开到与环部范围大致相同(见图 5(b)。随后,进气口与环部保持同步张开(见图 5(c)图 5(d),而帆部由于进气口和环部的带动作用,其侧面轮廓保持几何相似。最终,当环部张开达到结构限制后(见图 5(e),帆部才明显张开(见图 5(f)直到伞衣充满(见图 5(g)。(a)t=0.0 s (b)t=0.1 s (c)t=0.2 s (d)t=0.3 s (e)t=0.4 s (f)t=0.5 s (g)t=0.6 s 图 5 充气过程伞衣外形变化
23、 Fig.5 Canopy shape changes during inflation process 26 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 根据上述伞衣外形变化的特点,可将环帆伞解除收口充气展开的过程划分为三个阶段:1)阶段一。解除收口状态后的环帆伞,进气口最先展开,直至与环部投影面积大小接近;在这之前环、帆均无明显变化特征;该阶段时间历程相比整个充气过程是非常短暂的。2)阶段二。在进气口与环部的投影面积比较接近后,二者会同步展开直到环部接近张满;此时帆部在进气口和环部的带动下而展开;该阶段时间历程大约占据了充气过程前半段的剩余时间。3)阶段三。在环部展开接近结构限制
24、后,进气口仍然会继续展开,并带动帆部展开;同时环帆伞沿着伞衣幅方向自上而下地完成了充气;该阶段时间历程最长,大约占据了整个充气过程的一半。另外,该环帆伞充满伞衣外形与空投试验结果的对比如图 6 所示,二者较接近,表明仿真结果是可靠的。(a)仿真模型充满伞衣外形 (b)空投试验充满伞衣外形(a)Canopy full shape of simulation model (b)Canopy full shape of airdrop test 图 6 充满伞衣外形对比 Fig.6 Comparison of canopy full shape 3.2 流场仿真结果 开伞过程仿真得到流场压强变化如图
25、 7 所示(并非等时间间隔取样),其中图 7(a)为解除收口时刻的压强云图,可以看到收口状态下伞内高压分布在伞体顶部和伞裙处,可以简单解释为来流在运动过程中受到物体阻碍而形成高压,由于伞衣外形此时呈桶状(见图 5(a),甚至进气口面积小于伞衣投影面积,因而伞内侧面几乎没有阻碍气流运动,也就没有形成高压区域;随着进气口逐渐张开(见图 5(a)图 5(d),伞衣侧面阻碍了更多气流而形成高压区域(见图 7(a)图 7(d);之后随着伞衣帆部张开,对应图 5(e)图 5(g),伞衣进气口面积基本等于伞衣投影面积,因而整个伞衣对来流都具有阻碍作用,故伞内形成了较统一的高压(见图 7(d)图 7(f),另
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