开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26936

固体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

包文龙¹, 贾贺¹^,²(), 薛晓鹏³, 黄雪姣¹, 高树义¹, 荣伟¹, 王奇¹, 吴壮志⁴

^1.北京空间机电研究所，北京 100094
^2.南京航空航天大学航空学院，南京 210016
^3.中南大学航空航天学院，长沙 410083
^4.北京航空航天大学计算机学院，北京 100191

收稿日期:2022-01-11 修回日期:2022-02-16 接受日期:2022-02-17 出版日期:2022-03-14 发布日期:2022-02-17
通讯作者: 贾贺 E-mail:chinajiah@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(11972192);飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室开放课题(KLAECLS-E-202004)

Influence of ‘windows’ structure on inflation process of ringsail parachute

Wenlong BAO¹, He JIA¹^,²(), Xiaopeng XUE³, Xuejiao HUANG¹, Shuyi GAO¹, Wei RONG¹, Qi WANG¹, Zhuangzhi WU⁴

^1.Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China
^2.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^3.School of Aeronautics and Astronautics，Central South University，Changsha 410083，China
^4.School of Computer Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2022-01-11 Revised:2022-02-16 Accepted:2022-02-17 Online:2022-03-14 Published:2022-02-17
Contact: He JIA E-mail:chinajiah@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11972192);Research Fund of Ministry of Industry and Information Technology Key Laboratory of Aircraft Environment Control and Life Support(KLAECLS-E-202004)

摘要/Abstract

摘要：

随着载荷重量的增加，单伞已无法满足大重量返回舱的安全着陆要求，群伞系统获得关注并成功应用。然而，伞间干扰等问题仍困扰着群伞的设计，新一代载人飞船已经考虑从透气性角度对此进行解决。同时，鉴于群伞开伞过程仿真难度较大，在不改变伞衣构型设计的前提下，采用流固耦合（FSI）方法针对单伞开展不同透气性的环帆伞开伞过程数值模拟，旨在研究开“窗”结构对环帆伞气动性能的影响。结果表明：开“窗”结构对环帆伞开伞过程中的外形变化有较小影响，开“窗”前后的伞衣投影面积与名义面积比变化最大不超过15%；对于不同的开“窗”位置和数量，平衡平均阻力系数、开伞动载系数及阻力系数波动三者的最佳选择为帆5位置和25%数量；采用开“窗”结构后的环帆伞最大摆角至少减小5°，且减小幅度随着开“窗”数量的增加而增大，但与开“窗”位置之间并无明显规律。

关键词: 环帆伞, 开“窗”结构, 气动特性, 流固耦合, 透气性

Abstract:

With increasing load weight， the inability of single parachutes to ensure safe landing of heavy reentry capsules diverts extensive attention to the cluster parachute system which has been successfully applied. However， the interference between the parachutes poses challenges to the cluster parachute design. The new generation of crewed spacecraft has attempted to solve this problem from the perspective of porosity. Due to the difficulty in simulating the inflation process of the cluster parachute， this paper adopts the Fluid-Structure Interaction （FSI） numerical method to conduct numerical simulation of the inflation process of single ringsail parachutes with different porosities without changing the configuration design of the canopy to investigate the influence of the ‘windows’ structure on aerodynamic performance. The result demonstrates that the ‘windows’ structure has minor influence on the shape change during the inflation process of the ringsail parachute， with the ratio change of the projected area to the nominal area before and after using the ‘windows’ structure no more than 15%. For different ‘windows’ positions and quantities， the best choice to balance the average drag coefficient， opening load， and fluctuation of the drag coefficient is sail position 5 and quantity 25%. The maximum swing angle is reduced by at least 5 °after using the ‘windows’ structure， and the reduction will increase with the grow in the number of ‘windows’； however， no clear patterns between the positions of the ‘windows’ is observed.

Key words: ringsail parachute, ‘windows’ structure, aerodynamic characteristics, fluid-structure interaction, porosity

中图分类号:

V445.2⁺3

包文龙, 贾贺, 薛晓鹏, 黄雪姣, 高树义, 荣伟, 王奇, 吴壮志. 开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 226936-226936.

Wenlong BAO, He JIA, Xiaopeng XUE, Xuejiao HUANG, Shuyi GAO, Wei RONG, Qi WANG, Zhuangzhi WU. Influence of ‘windows’ structure on inflation process of ringsail parachute[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 226936-226936.

图/表 17

图 1

图 2

表1

图 3

图 4

表2

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图15

参考文献 26

1	余莉. 气动减速技术［M］. 北京：科学出版社， 2018.
	YU L. Aerodynamic deceleration technology［M］. Beijing： Science Press， 2018 （in Chinese）.
2	荣伟. 航天器进入下降与着陆技术［M］. 北京：北京理工大学出版社， 2018.
	RONG W. Spacecraft entry， descent and landing technology［M］. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2018 （in Chinese）.
3	贾华明，杨霞，李少腾，等. 环帆伞技术与发展综述［J］. 航天返回与遥感， 2021， 42（3）： 41-51.
	JIA H M， YANG X， LI S T， et al. Overview of the technology and development of ringsail parachute［J］. Spacecraft Recovery ＆ Remote Sensing， 2021， 42（3）： 41-51 （in Chinese）.
4	EWING E G， VICKERS J R. Ringsail parachute design： AFFDL-TR-72-3［R］. Northrop Corporation， 1972.
5	TEZDUYAR T， SATHE S， PAUSEWANG J， et al. Air-fabric interaction modeling with the stabilized space-time FSI technique［C］∥The third Asian-Pacific Congress on Computational Mechanics. Kyoto： APCOM， 2007.
6	TAKIZAWA K， MOORMAN C， WRIGHT S， et al. Fluid-structure interaction modeling and performance analysis of the Orion spacecraft parachutes［J］. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2011， 65（1-3）： 271-285.
7	GREATHOUSE J， SCHWING A. Study of geometric porosity on static stability and drag using computational fluid dynamics for rigid parachute shapes： AIAA-2015-2131［R］. Reston： AIAA， 2015.
8	甘小娇. 环帆伞结构透气量对气动性能的影响［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015： 25-38.
	GAN X J. Effect of ringsail parachute structure permeability on aerodynamic performance［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2015： 25-38 （in Chinese）.
9	高畅，余莉，张思宇. 环片数量对环帆伞气动性能的影响［J］. 海军航空工程学院学报， 2020， 35（4）： 297-302.
	GAO C， YU L， ZHANG S Y. The influence of the number of rings on the aerodynamic performance of the ringsail parachute［J］. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University， 2020， 35（4）： 297-302 （in Chinese）.
10	甘和麟. 环帆伞阻力特性及其尺寸效应的研究［D］. 北京：中国空间技术研究院， 2014： 56-58.
	GAN H L. Analysis of ringsail drag characteristics and scale effects［D］. Beijing： China Academy of Space Technology， 2014： 56-58 （in Chinese）.
11	杨雪，余莉，李允伟，等. 环帆伞稳降阶段织物透气性影响数值模拟［J］. 空气动力学学报， 2015， 33（5）： 714-719.
	YANG X， YU L， LI Y W， et al. Numerical simulation of the effect of the permeability on the ringsail parachute in terminal descent stage［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2015， 33（5）： 714-719 （in Chinese）.
12	尚小娟，童明波，张红英. 带牵顶伞的大面积环帆伞充气性能分析［J］. 航天返回与遥感， 2010， 31（4）： 21-26.
	SHANG X J， TONG M B， ZHANG H Y. Performance analysis for inflation of large ringsail parachute with an apex grogue［J］. Spacecraft Recovery ＆ Remote Sensing， 2010， 31（4）： 21-26 （in Chinese）.
13	程涵，余莉，夏刚. 降落伞充气过程中“瓶颈”效应［J］. 国防科技大学学报， 2013， 35（1）： 48-52.
	CHENG H， YU L， XIA G. A study on “bottleneck” phenomenon during parachute inflation［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2013， 35（1）： 48-52 （in Chinese）.
14	ANDERSON B P， GREATHOUSE J， POWELL J， et al. Sub-scale orion parachute test results from the national full-scale aerodynamics complex 80-by 120-ft wind tunnel：JSC-CN-39271［R］. Washington.D.C.： NASA， 2017.
15	DAUM J S， PETERSEN M L. Orion capsule parachute assembly system（CPAS） overload testing approach and results： AIAA-2019-3142［R］. Reston： AIAA， 2019.
16	方世兴，黄伟，荣伟. 盘缝带伞细化结构的仿真影响研究［J］. 航天返回与遥感， 2017， 38（2）： 17-26.
	FANG S X， HUANG W， RONG W. Study on the detailed structure of disk-gap-band parachute simulation［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing， 2017， 38（2）： 17-26 （in Chinese）.
17	贾贺，荣伟，陈国良. 基于LS-DYNA的降落伞伞衣织物透气性参数仿真验证［J］. 航天返回与遥感， 2009， 30（1）： 15-20.
	JIA H， RONG W， CHEN G L. The use of LS-DYNA to simulate the permeability parameters of the parachute canopy［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing， 2009， 30（1）： 15-20 （in Chinese）.
18	YANG X， YU L， NIE S C， et al. Aerodynamic performance of the supersonic parachute with material permeability［J］. Journal of Industrial Textiles， 2021， 50（6）： 812-829.
19	BENSON D J. Computational methods in lagrangian and eulerian hydrocodes［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 1992， 99： 235-394.
20	ERGUN S. Fluid flow through packed columns［J］. Journal of Materials Science and Chemical Engineering， 1952， 48（2）： 89-94.
21	张思宇，余莉，刘鑫. 翼伞充气过程的流固耦合方法数值仿真［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（6）： 1108-1115.
	ZHANG S Y， YU L， LIU X. Numerical simulation of parafoil inflation process based on fluid-structure interaction method［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（6）： 1108-1115 （in Chinese）.
22	王明振，曹东风，吴彬，等. 基于S-ALE流固耦合方法的飞机水上迫降动力学数值分析［J］. 重庆大学学报， 2020， 43（6）： 21-29.
	WANG M Z， CAO D F， WU B， et al. Numerical analysis of aircraft dynamic behavior in ditching based on S-ALE fluid-structure interaction method［J］. Journal of Chongqing University， 2020， 43（6）： 21-29 （in Chinese）.
23	HUGHES T J R， LIU W K， ZIMMERMAN T K. Lagrangian-eulerian finite element formulation for viscous flows［J］. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering， 1981， 29： 329-349.
24	赵海鸥. LS-DYNA动力分析指南［M］. 北京：兵器工业出版社， 2003： 164.
	ZHAO H O. Guide to dynamic analysis of LS-DYNA［M］. Beijing： The Publishing House of Ordnance Industry， 2003： 164 （in Chinese）.
25	JASON W， NICOLAS A， BENJAMIN T， et al. Porous euler-lagrange coupling application to parachute dynamics［C］∥The 9th International LS-DYNA Users Conference， 2005.
26	王利荣. 降落伞理论与应用［M］. 北京：宇航出版社， 1997.
	WANG L R. Parachute theory and application［M］.Beijing： Astronautic Publishing House， 1997 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	研究对象	结构透气量/%	D_t/D_j
0	基准算例	4.940	1.000
1	帆3，开“窗”25%	8.127	0.673
2	帆4，开“窗”25%	8.487	0.768
3	帆5，开“窗”25%	8.825	0.864
4	帆5，开“窗”50%	12.710	0.864
5	帆5，开“窗”75%	16.595	0.864

[1]	孙大智, 陈希, 鲍为成, 卞威, 招启军. 高速直升机机身干扰对推力桨气动与噪声源特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529142-529142.
[2]	代雨柔, 李健, 薛晓鹏, 荣伟. 超声速下盘缝带伞不同收口方式的气动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 128811-128811.
[3]	李海星, 周峰, 颜巍, 白峰, 赵克良. 砂纸冰对民机平尾气动特性的影响[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 128657-128657.
[4]	常思源, 肖尧, 李广利, 田中伟, 张凯凯, 崔凯. 翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 127349-127349.
[5]	刘为佳, 李映坤, 陈雄, 李春雷. 基于流固耦合的激波/边界层干扰作用下壁板颤振特性[J]. 航空学报, 2023, 44(6): 127085-127085.
[6]	何磊, 钱炜祺, 董康生, 易贤, 柴聪聪. 基于卷积神经网络的结冰翼型气动特性建模[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126434-126434.
[7]	刘畅, 张耘隆, 闫指江, 赵磊, 季辰. 锤头体火箭弹性模型脉动压力风洞试验[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 128384-128384.
[8]	罗剑桥, 解春雷, 金泽华, 孟军辉. 跨介质飞行器近水面滑跳流固耦合仿真及可滑跳区域研究[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528632-528632.
[9]	张永杰, 崔博, 王明振, 张楚哲, 罗琳胤, 陈向明, 刘小川. 水陆两栖飞机着水试验与理论分析方法研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(21): 528665-528665.
[10]	李秋琳, 周莉, 孙鹏, 史经纬, 王占学. 出口宽高比对S弯喷管流固耦合特性影响[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628204-628204.
[11]	周伟, 马培洋, 郭正, 王道平, 周睿孙. 基于翼尖链翼的组合固定翼无人机研究[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 325946-325946.
[12]	伍强, 徐浩军, 魏扬, 裴彬彬, 薛源. 结冰条件下飞机气动/运动耦合特性[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 125566-125566.
[13]	汪博, 高培鑫, 马辉, 孙伟, 林君哲, 李晖, 韩清凯, 刘中华. 航空发动机管路系统动力学特性综述[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 25332-025332.
[14]	徐欣, 贾贺, 陈雅倩, 荣伟, 蒋伟, 薛晓鹏. 织物透气性对火星用降落伞气动特性影响机理[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 126289-126289.
[15]	张阳, 周洲, 郭佳豪. 分布式涵道风扇喷流对后置机翼的气动性能影响[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 224977-224977.

开“窗”结构对环帆伞开伞过程影响

Influence of ‘windows’ structure on inflation process of ringsail parachute

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 26

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价