稳定伞作用下对救生伞开伞动载影响研究_高春鹏.pdf
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1、第 55 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.55 No.2Apr.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics稳定伞作用下对救生伞开伞动载影响研究高春鹏1,姚裕2,官本和1,王颖伊1,余强1,张鑫华1(1.航空工业航宇救生装备有限公司,襄阳 441003;2.南京航空航天大学航空学院,南京 210016)摘要:在救生伞高速空投试验过程中,由于救生伞系统在做非均加速非定常运动的同时又受到假人姿态的影响,常规空投试验获取的开伞动载数据往往离散度较大,无法真实反映救生伞的开伞性能
2、。本文针对救生伞的前置体影响特性,提出了一种采用增加稳定伞的方法对假人自由飞阶段的姿态进行控制,并对不同工况下假人运动过程进行了仿真分析,通过 3种工况的空投试验验证研究假人姿态对开伞动载的影响,对开伞时间、开伞速度、开伞动载、假人角速度以及速度损失等试验数据的相关性进行了分析。研究表明假人姿态控制对开伞程序没有影响,与不控制假人姿态试验程序相比更接近于该型救生伞前置体的实际工况。从试验数据结果分析,假人姿态控制后可以改善开伞动载数据的离散性,提高开伞动载试验数据的真实性,最大开伞动载数据可以减小 8.9%。关键词:救生伞;空投试验;姿态控制;开伞动载中图分类号:V19 文献标志码:A 文章编
3、号:1005-2615(2023)02-0209-08Influence to Life-Saving Parachute Opening Shock Under Action of Stable ParachuteGAO Chunpeng1,YAO Yu2,GUAN Benhe1,WANG Yingyi1,YU Qiang1,ZHANG Xinhua1(1.AVIC Aerospace Life-Support Industries,Ltd.,Xiangyang 441003,China;2.College of Aerospace Engineering,Nanjing Universit
4、y of Aeronautics&Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract:In the parachute high-speed airdrop test,the parachute is affected by the attitude of the dummy while doing non-uniform acceleration and unsteady motion.The parachute opening dynamic load data obtained from the conventional airdrop test are
5、 often discrete,which can not truly reflect the parachute opening performance.According to the influence characteristics of the front body of the parachute,this paper proposes a method of adding a stable parachute to control the attitude of the dummy in the free flight stage,and the motion process o
6、f dummy under different working conditions is simulated and analyzed.By using airdrop test of three working conditions,this paper researches the dummy attitude effect on opening shock of parachute,and analyses the test data to obtain the relationship between dummy attitude and opening time,opening s
7、peed,opening shock,opening speed loss of parachute,dummy angular velocity.The results show that dummy attitude control does not affect the parachute opening procedure.Compared with the situation without controlling dummy attitude,it is closer to the actual parachute opening procedure in front body f
8、or this type life-saving parachute.Based on the results analysis,it is concluded that dummy attitude control can improve the discreteness and the validity of opening shock data,and the maximum parachute opening shock data can be reduced by 8.9%.Key words:parachute;airdrop test;attitude control;parac
9、hute opening shockDOI:10.16356/j.1005-2615.2023.02.005收稿日期:2022-05-30;修订日期:2022-07-18通信作者:高春鹏,男,高级工程师,E-mail:。引用格式:高春鹏,姚裕,官本和,等.稳定伞作用下对救生伞开伞动载影响研究 J.南京航空航天大学学报,2023,55(2):209-216.GAO Chunpeng,YAO Yu,GUAN Benhe,et al.Influence to the life-saving parachute opening shock under action of stable paracute
10、 J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2023,55(2):209-216.第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报救生伞是供乘员在飞行器上应急逃生时使用的降落伞1,特别是在军用飞机中,救生伞已经成为救生系统的重要组成部分,是挽救机上人员生命的最后一道屏障。在救生伞的设计和研发过程中,目前主要通过风洞试验2、空投试验3和数值仿真4的 方 法 来 获 取 其 相 关 气 动 性 能 和 开 伞 动载5-7。其中空投试验作为救生伞开伞动载性能获取的一种手段已被广泛采用,然而在空投试验,特别是高速空投试验过
11、程中,由于救生伞系统在做非均加速非定常运动的同时又受到前置体姿态的影响,常规空投试验获取的开伞动载数据往往离散度较大,无法真实反映救生伞的开伞性能,对救生伞的研制带来较大的困难。因此,有必要针对救生伞空投试验过程中的假人姿态翻滚进行有效的控制,寻找更为合理优化的试验方法,为型号研制提供数据支撑。近几年,北京航空航天大学、国防科技大学和中国航空救生研究所等国内科研单位开展了一系列关于救生开伞动载影响因素的研究。例如刘丹阳等8基于小波分析理论,开展了救生伞假人高速空投开伞动载试验研究,找出了动载测量离散度大的原因,给出了开伞过载与假人姿态具有明显关联性,有利开伞姿态集中在假人角速度较小的带状区域的
12、结论。丰志伟等9开展了救生伞背带分离系统对假人动载的影响理论研究,建立了降落伞-背带-假人系统动力学模型,分析了背带参数对假人动载的影响。文献 10 针对救生伞飞机空投试验中因假人姿态翻滚造成的开伞动载数据离散的问题,开展了开伞程序试验技术研究,提出了一种新的救生伞包装方式用于优化空投试验开伞程序和提高空投试验数据的离散性。文献 11 介绍了开伞动载影响因子与质量比的一般规律。在试验测试方面,谢俊杰等12提出了一种新的测试方案,研究了降落伞试验中假人姿态对过载测量的影响。马坤昌等13-14针对救生伞高速空投试验开伞动载测试不真实的问题,提出了一种用杆式六分量天平测试救生伞开伞动载的方法,该方法
13、可以显著减小外界因素对测试结果的影响,能更加真实地反映假人承受的开伞力情况。文献 15 介绍了一种基于导电聚合物复合材料的柔性应变传感器,该传感器可以用于测量降落伞的应变。在降落伞气动力流固耦合计算方面,程涵等16基于初始矩阵修正的直接折叠法建立了降落伞的折叠模型,开展了折叠降落伞展开过程研究,并基于 ALE 流固耦合方法模 拟 了 低 速 气 流 作 用 下 降 落 伞 的 充 气 展 开 过程17。杨雪等18根据质点系动量定理和动量矩定理推导出一种改进的降落伞动力学模型,可对降落伞稳降阶段进行仿真计算。张红英等19首次考虑了充气过程中折叠伞衣的张开问题,建立了接近降落伞物理模型的初始充气阶
14、段伞衣质点结构和受力方程。周伟等20提出了一种基于充气距离法的开伞过载的计算方法,该方法可以较为准确地对降落伞开伞过载进行计算。目前,在救生伞的研究过程中,由于救生伞系统开伞过程是一种复杂的流固耦合过程21,现有的数值仿真分析方法很难准确计算出其开伞动载,因此,一般采用空投试验直接测试开伞动载的方法进行数据的获取。本文针对空投假人姿态非稳定的问题,依据刘丹阳等的研究结果8:假人在自由飞阶段的姿态变化会极大地影响充气过程开伞动载,需要对假人自由飞阶段的姿态进行控制,提出了一种采用增加一级稳定伞的方法对假人姿态进行控制,并对假人运动过程进行了流固耦合仿真分析和空投试验验证。1 假人运动过程和姿态控
15、制方案救生伞系统是能够独立完成预定功能的降落伞及有关装置的总和,开伞程序包括开伞过程中拉直、充气和稳降的动作情况。中国救生伞开伞动载的判定是按 GJB2321987 人体脊柱对开伞冲击力的耐受强度 执行。因此,在救生伞研制过程中,如何在高空高速的极限条件下真实有效地测试开伞动载非常重要。常规救生伞空投试验的开伞程序(无稳定伞)是伞系统与空投假人通过脱离锁与背带连接在一起,开伞过程中假人姿态无自主控制,随气流影响而随机变化。假人的姿态会对救生伞的开伞程序和开伞动载产生较大的影响,甚至造成试验数据严重失真,无法真实反映救生伞的开伞性能。救生伞空投开伞程序工作原理:当假人离开飞机弹舱后,通过开伞拉绳
16、+延时开伞的方式打开引导伞,引导伞张满后拉出内伞包,拉直操纵带,依靠引导伞拉力、假人重力两者合力拉断内伞包封包绳,先拉出伞绳后拉出伞衣套,主伞系统拉直过程中内伞包及伞衣套飞离,主伞伞衣充气、张满、稳降。在救生伞空投试验中假人的运动可以分为 3个阶段:第 1阶段,假人自由飞阶段,从飞机机舱投放到引导伞打开,持续时间约 0.7 s;第 2阶段,主伞拉直阶段,从引导伞打开到伞系统拉直,持续时间约 0.5 s;第 3阶段,主伞充气阶段,从伞系统拉直到主伞张满,持续时间约 2.0 s。假人姿态控制方案(有稳定伞):姿态控制方法是在假人上增加一级稳定伞,稳定伞与假人通过三210第 2 期高春鹏,等:稳定伞
17、作用下对救生伞开伞动载影响研究环脱离装置连接,首先把主伞伞衣装入内伞包内,然后内伞包连同主伞封包在主伞包内;稳定伞封包在单独的伞包内与主伞包并联;为了不影响主伞开伞程序,稳定伞稳定 0.5 s后,需在伞系统拉直前与假人-主伞系统分离,有无姿态控制程序对比方案如图 1所示。2 仿真分析以 A 型救生伞、钢制躯干假人以及假人有无姿态控制方案建立模型,对假人自由飞阶段进行流固耦合仿真计算假人姿态角,对主伞拉直阶段用双质点动力学方法进行仿真计算拉直速度,对主伞充气阶段的运动过程进行流固耦合仿真计算开伞动载。2.1假人自由飞仿真假人自由飞仿真计算分两种状态,系统总质量为 107 kg,海拔高度 4 50
18、0 m,速度 180 m/s,仿真计算从假人空投下算起,2.5 s内结束。状态 1:有稳定伞,稳定伞为平面圆形伞,阻力特征为 0.175 m2;状态 2:无稳定伞。坐标系定义如图 2(a)所示,原点与假人质心初始位置重合,x轴方向为飞机飞行方向,z轴方向垂直向上,y轴方向按右手法则确定。用 Lsdyna 软件的任意拉格朗日-欧拉(Arbi-trary Lagrangian-Eulerian,ALE)求解器对假人运动过程进行流固耦合仿真。模型参数设置:假人使用*MAT_RIGID 卡片,单元形式为全积分 S/R体。伞衣使用*MAT_FABRIC 卡片,单元形式为全积分 Belytschko-Ts
19、ay 薄 膜。伞 绳、加 强 带 使 用*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM 卡 片,单 元形式为离散绳索。空气使用*MAT_NULL 卡片,单元形式为单点积分多材料单元。降落伞和假人网格尺寸统一为 0.03 m,图 2(b)为有稳定伞时的空气域示意图,空气域尺寸为 2 m2 m7 m,空气网格数量约为 82万个。无稳定伞时采用相同的空气域和网格,假人在空气域中的位置不变。假人、稳定伞与空气的流固耦合用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_ SOLID 卡片进行设置。输出参数有假人质心速度分量和假人上 3 个特殊点 P1、P2、P3的坐标,如图 2(a)所示。点 P1为
20、质心,点 P2在假人轴线上,点 P3在假人横线上,P3P1P1P2,O是坐标原点,x、y、z表示 3个方向。假人 3个姿态角定义如下:(1)偏航角:假人轴线在水平面上的投影线与 ox 轴之间的夹角。若 ox 轴逆时针方向转至假人轴线在水平面投影,则 为正。(2)俯仰角:假人轴线与水平面之间的夹角。当假人轴线向上方倾斜时,为正。(3)横滚角:假人对称面与包含假人轴线的铅垂平面之间的夹角。当点 P3在水平面投影位于P1P2在水平面投影的右边时,为正。假人迎角 定义为假人轴线与质心速度方向的夹角。设假人的 3 个姿态角为偏航角、俯仰角 和横滚角,迎角为,点 P1、P2和 P3的坐标分别为(x1,y1
21、,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3),点 P1的速度分量为 vx、vy和 vz,其中点 P1为质心,点 P2在假人轴线上,P3P1P2P1。而假人轴线和质心速度向量的夹角即假人的迎角。图 1 姿态控制程序对比Fig.1 Comparison of attitude control in different procedures图 2 坐标系定义和空气域示意图Fig.2 Diagram of coordinate system and air domain211第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报通过 P1、P2和 P3三点的速度分量参数,根据式(14)可以计算出假
22、人的偏航角、俯仰角、横滚角、迎角 的信息。tan=y2-y1x2-x1(1)sin=z2-z1()x2-x12+()y2-y12+()z1-z12 (2)cos =()z3-z1()x2-xx2+()y2-y12+()z2-z12()x2-x12+()y2-y12()x3-x12+()y3-y12+()z3-z12(3)cos =vx()x2-x1+vy()y2-y1+vz()z2-z1v2x+v2y+v2z()x2-x12+()y2-y12+()z2-z12(4)两种状态假人在 2.5 s内的姿态角和迎角仿真计算结果如图 3所示,姿态控制方案假人姿态变化如图 4所示。通过仿真计算结果可以看出
23、,对假人姿态进行控制后可以有效地的改善假人的姿态角和迎角,偏航角可以减小 19.3%,俯仰角可以减小 24.5%,滚转角可以减小 26.1%,迎角可以减小 51.5%,可以降低假人姿态变化频率。2.2主伞拉直阶段仿真主伞拉直阶段仿真计算分 3 种工况,有/无稳定伞两种状态,系统总质量为 107 kg,仿真计算从假人空投下算起,伞系统拉直结束。工况 1:海拔高度 1 000 m,速度 140 m/s。工况 2:海拔高度4 500 m,速度 180 m/s。工况 3:海拔高度 6 500 m,速度 165 m/s。仿真时把假人-伞系统分为伞和假人 2 个质点,每个质点的受力包括重力和气动力。用双质
24、点动力学方法对 3 种工况进行仿真,仿真计算结果见表 1。从表 1仿真计算结果可以看出,不同工况条件下 2种状态的拉直速度基本相差不大,说明增加稳定伞控制假人姿态的方法不会影响主伞的拉直速度等性能。2.3主伞充气阶段仿真仿真计算分 2 种工况,系统总质量为 107 kg,伞轴线与水平面角度为10,海拔高度为4 500 m,充气速度为 2.2节对应工况计算的拉直速度。仿真计算从引导伞开伞算起,1 s内结束,其他条件如下,工况 1:有稳定伞,充气时系统姿态如图 5(a)所示。工况 2:无稳定伞,充气时系统姿态如图 5(b)所示。用 Lsdyna 软件对两种工况进行流固耦合仿真,模型参数设置与 2.
25、1 节基本相同,仿真得出伞的流固耦合力即开伞动载。仿真计算结果如图 6所示,通过仿真计算结果表明,假人的姿态对开伞动载影响是比较大的,最图 3 假人姿态角和迎角曲线Fig.3 Curves of dummy attitude angle and attack angle图 4 采用姿态控制方案假人姿态变化图Fig.4 Dummy attitude change diagram using control atti-tude scheme 表 1 仿真计算结果Table 1 Simulation results状态有稳定伞无稳定伞工况 1拉直速度/(m s-1)111.4114.2工况 2拉直速
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