[发明专利]一种翼伞开伞动载的动态预测方法

说明书

本发明提出了一种翼伞开伞动载的动态预测方法，包括以下步骤：基于翼伞开伞过程的外形变化特点，将开伞过程分为翼面折叠展开、气室充气先后两个阶段；根据翼伞开伞的阶段性外形变化，确定翼伞气动特性；根据翼伞、载荷的相互作用和飞行特点，建立翼伞开伞阶段动力学模型；计算翼伞开伞载荷的动态变化。本方法根据翼伞开伞过程外形变化确定翼伞气动特性，将伞衣复杂的流固耦合大变形通过气动特性模型与翼伞开伞气动力耦合，采用动力学方法建模，得到翼伞的瞬态特性，是一种成本低、效率高且精度高的翼伞动载分析方法。该方法获得的开伞动载结果也可以为翼伞及其他飞行器的实验设计、数值分析提供依据，具有良好的扩展性。

技术领域

本发明属飞行器救生及空降空投装备设计技术领域，尤其涉及一种翼伞的设计与分析。

背景技术

翼伞具有折叠体积小、重量轻、载重大、可控性好的特点，近年来在体育运动、空降空投等领域应用广泛。

充气展开过程作为翼伞工作程序最关键的环节之一，不仅直接决定了翼伞工作的成败，还对开伞后的翼伞系统飞行性能有重要的影响。由于翼伞伞衣面积大，伞绳多，与传统降落伞相比充气更快，容易出现开伞动载过大造成开伞失败，因此翼伞开伞动载的研究对翼伞设计及材料选择意义重大。

传统降落伞开伞动载的预测常采用半经验半理论方法，其基本思路是将降落伞充气过程中阻力特性的变化描述为充气距离和充气时间的函数。但是这种方法目前仅应用于气动阻力占主导作用的常规弹道型降落伞，对于具有一定升力的翼伞，这种方法并不适合。至今，翼伞开伞动载通常还是以飞机空投试验测量为主。但飞机空投需要大型运输机的配合，试验成本高，且需要大量的人力和物力保障。另外，空投试验工况容易受到天气和环境的影响，难以精确控制，试验数据离散量很大，难以获得有效的实验数据。尽管风洞试验能精确控制试验工况，但由于翼伞面积大，受风洞尺寸的限制，无法获得全尺寸翼伞的动态开伞载荷。

近年来，流固耦合方法开始应用于传统圆形降落伞的开伞过程研究。然而，翼伞为非展平曲面构成的多气室双翼面结构，结构较圆形伞更复杂，无法采用常规方法建立折叠模型；另一方面，多气室翼伞充气中存在弦向与展向同时展开的复杂流-构相互作用过程，物理机理复杂，耦合计算难度很大，对翼伞开伞工作机理的理解还不深入，至今没有准确可靠的动态开伞载荷计算模型。

为了快速预测翼伞的动态开伞载荷，为翼伞优化设计及材料选择提供依据，有必要提出一种快速的动态开伞动载预测方法。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种翼伞开伞动载的动态预测方法，能够通过动力学模型获得翼伞开伞载荷的动态变化，为翼伞设计和材料选择提供依据。

一种翼伞开伞动载的动态预测方法，包括以下步骤：

步骤1，基于翼伞开伞过程的工作特点，将翼伞开伞过程分为翼面折叠展开和气室充气阶段；

步骤2，建立翼面折叠展开阶段的气动特性模型：根据翼面展开阶段外形变化特点，气动升力忽略不计，该阶段的翼伞系统气动阻力特性与翼面展开面积成正比；

步骤3，建立气室充气阶段气动特性模型：根据气室充气过程的外形变化特点，在该阶段翼伞滑翔比逐渐增加，气动特性逐渐变化至翼伞充满时的大小；

步骤4，根据翼伞-载荷两体系统在翼伞充气过程的相互作用和飞行特点，建立翼伞开伞阶段翼伞-载荷系统的动力学模型；

步骤5，根据翼伞两阶段的气动特性变化模型，对开伞动力学方程组进行求解，获得翼伞开伞载荷的动态变化。

作为优选，翼伞的两个阶段的气动特性的阶段性动态变化与翼伞外形的动态变化相对应，其动态变化关系由翼伞开伞时间及翼面面积确定。

作为优选，翼面折叠展开阶段气动特性表示为：