[发明专利]基于航天器回收系统空投试验数据的参数辨识方法

权利要求书

1.一种基于航天器回收系统空投试验数据的参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步、定义坐标系，

降落伞坐标系O₁X₁Y₁Z₁：以伞衣几何中心O₁为原点，O₁X₁轴沿伞衣对称轴指向伞绳汇交点O₂，O₁Y₁轴沿初始速度方向，O₁Z₁轴方向与O₁X₁轴、O₁Y₁轴组成右手坐标系；

吊带体坐标系O₂X₂Y₂Z₂：以伞绳汇交点O₂为原点，O₂X₂轴沿拉伸后吊带方向指向吊带另一端，O₂Y₂轴沿初始速度方向，O₂Z₂轴方向与O₂X₂轴、O₂Y₂轴共同组成右手坐标系；

航天器体坐标系O₃X₃Y₃Z₃：原点O₃位于航天器质心，O₃X₃轴平行于航天器纵向对称轴指向航天器底部，O₃Y₃轴位于纵向对称平面内，O₃Z₃轴与纵向对称面垂直，三个坐标轴共同组成右手坐标系；

大地坐标系O_EX_EY_EZ_E采用当地北天东坐标系，O_EX_E轴、O_EY_E轴及O_EZ_E轴方向分别指向当地北、天、东方向；

第二步、建立附加质量模型，包括建立降落伞稳定下降阶段，降落伞处于全张满状态时的附加质量模型以及建立降落伞充气阶段的附加质量模型；

(1)在降落伞稳定下降阶段，降落伞处于全张满状态，处于全张满状态的降落伞相对空气运动时，其平均密度与空气密度相当，因此，建立降落伞的动力学模型时，须考虑附加质量；

根据势流理论，刚体的附加质量可定义为6×6的对称矩阵，如下所示：

Φ_F是一个6×6的二阶对称张量，包含了21个独立分量，其分量α_ij为具有质量、惯性一阶矩、二阶矩和惯性积的量纲；

降落伞全充满时是轴对称体，根据其几何对称性，当将降落伞体坐标系O₁X₁Y₁Z₁原点取为伞衣几何中心时，建立附加质量模型中需确定3个附加质量分量，即α₁₁、α₂₂＝α₃₃、α₅₅＝α₆₆，分别表示沿降落伞体坐标系轴向的惯性一阶矩和法向的惯性一阶矩和二阶矩；

采用公式(2)近似计算降落伞的附加质量：

式中，下标i＝1、2、3时表示惯性一阶矩，i＝5、6表示惯性二阶矩；是降落伞所排开空气的特征体积；I_f是降落伞所排开空气的特征转动惯量，其计算方法为

其中，D_p为降落伞全充满后的投影直径；ρ为大气密度；k_ii、k_jj为附加质量系数，即为待辨识的参数；

(2)在降落伞充气阶段，设降落伞充气过程中伞衣底面面积和投影面积的变化规律与阻力面积的变化规律相同，则降落伞充气阶段的附加质量采用公式(4)计算：

式中，D_p为降落伞充气过程中的实时伞衣投影直径，v表示降落伞进气口相对气流速度，K_ii、K_jj为附加质量变化率系数，为待辨识的参数；

第三步、建立降落伞充气阶段模型，确定降落伞充气阶段待辨识参数；

描述降落伞充气过程的动力学方程如下：

其中，F_x1、F_y1、F_z1、M_x1、M_y1和M_z1分别是降落伞所受的外力和外力矩在其体坐标系中的分量，V_x1、V_y1、V_z1、ω_x1、ω_y1和ω_z1分别是降落伞的速度和角速度在其体坐标系中的分量，I_XX1、I_YY1＝I_ZZ1为转动惯量分量；m_p是伞衣质量，X_g是伞衣压心到降落伞质心的距离，分别代表降落伞体坐标系中角加速度分量，分别代表降落伞体坐标系中加速度分量；

降落伞充气过程中气动阻力变化很大，而影响其变化的主要因素是阻力面积的变化，阻力面积(C_DS)反映了伞衣的阻力特征，是伞衣阻力系数c及投影面积A之积：

(C_DS)＝cA (6)

在降落伞充气过程建模中，伞衣充气过程的阻力面积总可以表示为时间的幂函数，对于一次收口的降落伞，降落伞充气过程中伞衣阻力面积的计算公式可表示为：

式中，t_b、t_d及t_f则分别对应于伞衣收口开始时刻、解除收口时刻及充气结束时刻；(C_DS)_b、(C_DS)_d及(C_DS)_f分别表示收口开始时刻、解除收口时刻以及充满后稳定下降时伞衣阻力面积，n为充气时间指数；

降落伞充气阶段模型中需要进行辨识的参数有：降落伞充气过程中的附加质量系数、降落伞充气过程中的附加质量变化率系数、收口开始时刻伞衣阻力面积(C_DS)_b、解除收口时刻伞衣阻力面积(C_DS)_d、充满后稳定下降时伞衣阻力面积(C_DS)_f以及充气时间指数n；

第四步、建立降落伞稳定下降阶段模型，确定降落伞稳定下降阶段待辨识参数；

降落伞稳定下降阶段的动力学模型可表示为:

式中，由于α₁₁、α₃₃、α₆₆中包含三个待辨识的附加质量系数k₁₁、k₃₃和k₆₆；m_p是伞衣质量，X_g是伞衣压心到降落伞质心的距离，分别代表降落伞体坐标系中角加速度分量，分别代表降落伞体坐标系中加速度分量；

降落伞稳定下降过程中，由于降落伞的柔性结构和周围流场周期性的涡脱落，使降落伞产生“呼吸”现象，在模型中可近似表示为降落伞阻力面积围绕一定幅值产生周期性变化，如下所示：

式中，(C_DS)_f表示降落伞充满后稳定下降时伞衣阻力面积；其中A表示降落伞阻力面积变化的幅度，ω表示“呼吸”现象的频率，表示周期性变化的初始相位；

由于降落伞此阶段具有较为稳定的下降速度且为轴对称体，故其轴向力系数和法向力系数可表示为总攻角的多项式函数，如下所示：

式中，多项式系数x₀、x₁、x₂、x₃、x₄、y₀、y₁、y₂、y₃为待辨识参数；

降落伞稳定下降阶段模型中需要进行辨识的参数有：降落伞充气过程中的附加质量系数、降落伞阻力面积变化的幅度A、“呼吸”现象的频率ω、周期性变化的初始相位以及多项式系数x₀、x₁、x₂、x₃、x₄、y₀、y₁、y₂、y₃；

第五步、降落伞动力学参数辨识；

将降落伞充气阶段、降落伞稳定下降阶段的动力学参数辨识问题装化为带有约束条件的多目标优化问题，采用优化算法对降落伞充气阶段模型、降落伞稳定下降阶段模型中待辨识的参数进行求解。