柔性气动减速技术专栏群伞减速系统刚柔耦合动力学建模与分析

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30750

柔性气动减速技术专栏

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柔性气动减速技术专栏群伞减速系统刚柔耦合动力学建模与分析

王海涛¹(), 雷江利², 荣伟²

^1.国防科技大学空天科学学院，长沙 410073
^2.北京空间机电研究所，北京 100094

收稿日期:2024-05-30 修回日期:2024-07-15 接受日期:2024-07-24 出版日期:2025-01-15 发布日期:2024-07-31
通讯作者: 王海涛 E-mail:wanghaitao@nudt.edu.cn
基金资助:
航天进入减速与着陆实验室基金(EDL-19092114);宇航动力学国家重点实验室基金(2022ADL-J006)

Rigid-flexible coupling dynamic modeling for parachute cluster deceleration system

Haitao WANG¹(), Jiangli LEI², Wei RONG²

^1.College of Aerospace Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China
^2.Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity，Beijing 100094，China

Received:2024-05-30 Revised:2024-07-15 Accepted:2024-07-24 Online:2025-01-15 Published:2024-07-31
Contact: Haitao WANG E-mail:wanghaitao@nudt.edu.cn
Supported by:
Laboratory Foundation of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology(EDL-19092114);State Key Laboratory Foundation of Astronautic Dynamics(2022ADL-J006)

摘要/Abstract

摘要：

群伞减速系统被新一代可重复使用载人飞船普遍采用，对群伞系统进行动力学分析评估是航天器减速任务设计分析的重要环节。针对航天器群伞减速系统建立了多阶段、变结构、多维度刚柔耦合非线性多体动力学模型，分析了系统动力学模型的特点，指出群伞减速系统动力学具有复杂系统动力学的属性。通过仿真分析了航天器、减速伞和主伞在系统仿真中的动力学和运动参数，并对蒙特卡洛偏差仿真的结果进行了总结。仿真验证和分析结果表明，建立的刚柔耦合动力学模型能够准确模拟群伞减速系统工作过程和群伞碰撞等动力学行为。最后，针对降落伞减速系统动力学存在的问题和未来发展进行了分析和建议。

关键词: 群伞系统, 刚柔耦合, 复杂系统, 动力学建模, 减速

Abstract:

The parachute cluster deceleration system is widely used by the new generation reusable manned spacecraft， and dynamic analysis and evaluation of the parachute cluster system is an important task in the design and analysis of spacecraft deceleration missions. A multi-stage， variable structure and high-dimensional rigid-flexible coupling nonlinear multi-body dynamics model is established for the spacecraft parachute deceleration system. The characteristics of the system dynamics model are analyzed， and it is pointed out that the dynamics of the parachute cluster deceleration system have the dynamics properties of complex system. The dynamics and motion parameters of spacecraft， the drogue， and the main parachute are simulated and analyzed， and the results of Monte Carlo uncertainty simulation are summarized. The simulation and analysis results show that the established rigid-flexible coupling dynamic model can accurately simulate the working process of the parachute cluster deceleration system and the dynamic behavior of parachute group collisions. Finally， the existing problems and future developments in the dynamics of parachute deceleration systems are also discussed.

Key words: parachute cluster system, rigid-flexible coupling, complex system, dynamic modeling, deceleration

中图分类号:

V445.2⁺3

王海涛, 雷江利, 荣伟. 柔性气动减速技术专栏群伞减速系统刚柔耦合动力学建模与分析[J]. 航空学报, 2025, 46(1): 630750.

Haitao WANG, Jiangli LEI, Wei RONG. Rigid-flexible coupling dynamic modeling for parachute cluster deceleration system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(1): 630750.

图/表 30

图 1

图 2

表 1

图 3

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图 8

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表 6

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参考文献 26

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C_T	C_N
x₀=0.575 5	y₁=0.379 5
x₂=-0.809 1	y₃=0.363 1
x₄=0.422 8

运行阶段	群伞系统		单伞系统
运行阶段	自由度	模型组成	自由度	模型组成
单舱运行阶段	6	返回舱刚体模型	6	返回舱刚体模型
弹射拉直阶段	12	返回舱刚体模型+2个质点伞包模型	9	返回舱刚体模型+质点伞包模型
减速伞开伞充气和下降（集中吊挂）阶段	18	返回舱刚体模型+2个减速伞充气开伞模型	12	返回舱刚体模型+减速伞充气开伞模型
减速伞拉主伞阶段	21	返回舱刚体模型+2个减速伞模型+3个主伞包质点模型	15	返回舱刚体模型+减速伞模型+主伞包质点模型
主伞开伞充气和下降（集中吊挂）阶段	24	返回舱刚体模型+3个主伞开伞充气模型	12	返回舱刚体模型+主伞开伞充气模型
转化吊挂阶段	24	返回舱刚体模型+3个充满主伞模型	12	返回舱刚体模型+充满主伞模型
稳定下降（分散吊挂）阶段	27	返回舱刚体模型+吊挂质点模型+3个充满降落伞模型	15	返回舱刚体模型+吊挂质点模型+充满降落伞模型

参数	数值
速度/（m·s^-1）	33
高度/m	4 000
攻角/（°）	-90
侧滑角/（°）	0
偏航角/（°）	30
俯仰角/（°）	-80
滚转角/（°）	0

参数	数值
返回舱质量/kg	7 000
返回舱特征面积/m²	14.5
减速伞一级阻力面积/m²	5
减速伞二级阻力面积/m²	10
减速伞三级阻力面积/m²	30
主伞一级阻力面积/m²	30
主伞二级阻力面积/m²	100
主伞三级阻力面积/m²	800

参数	数值
速度/（m·s^-1）	150
高度/m	8 000
攻角/（°）	-13
侧滑角/（°）	0
偏航角/（°）	75
俯仰角/（°）	-60
滚转角/（°）	0

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Rigid-flexible coupling dynamic modeling for parachute cluster deceleration system

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1	大气密度	±3%	正态分布
2	投放高度	±100	正态分布
3	初始速度	±10	均匀分布
4	初始姿态角	±5	均匀分布
5	初始姿态角速度	±20	均匀分布
6	初始弹道倾角	±5	正态分布
7	伞舱盖分离速度	±5	正态分布
8	弹减速伞速度	±5	正态分布
9	I级收口时间	±1	正态分布
10	II级收口时间	±1.5	正态分布
11	I级阻力面积	±15%	正态分布
12	II级阻力面积	±15%	正态分布
13	全展开阻力面积	±15%	正态分布

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