降落伞伞绳材料特性对最大伞绳力的影响

　　摘要：通过充气时间法和以旋量形式建立了降落伞充气过程中的物伞系统动力学方程。在降落伞伞衣与载荷物之间的伞绳和吊带分别采用了非线性弹簧和非线性弹簧阻尼模型。详细描述了回收着陆过程中的转换吊挂过程并且建立了单点吊挂和双点吊挂约束求解方程。最后通过仿真分析了在一定范围内的不同降落伞伞绳弹性系数和阻尼系数对物伞系统几个工作阶段最大伞绳力的影响，得到的结果为进一步提高载人航天器的回收系统可靠性提供了参考。
　　关键词：降落伞 ，伞绳 ，回收着陆， 材料特性
　　1 引言
　　 在载人航天器回收着陆过程中，回收系统一般经历减速伞一级、二级充气和主伞一级、二级充气阶段，以及由单点吊挂转换到双点吊挂过程[1]。这五个阶段都会产生一个比较明显的降落伞伞绳拉力变化过程，而且这五个阶段的伞绳力峰值往往决定着降落伞整个工作过程的最大伞绳力，该值是降落伞工作过程的一个关键性指标。在前人的相关研究中，往往关心伞衣形状、降落伞阻力面积、运动速度、开伞高度对最大伞绳力的影响[2,3]，以及不同伞绳材料对充气过程的影响，到目前为止还没有发现有关伞绳材料特性对最大伞绳力影响的研究文献。以往采用的计算模型一般只是单独将降落伞作为研究对象[4,5]，没有将物伞系统进行整体性研究，而且降落伞开伞过程中以无限质量开伞（不考虑开伞过程中物伞系统速度变化）研究比较充分。在载人航天器回收着陆过程中，降落伞充气阶段物伞系统的速度变化很大，是一个有限质量下的开伞过程，因此有必要建立降落伞充气过程中物伞系统动力学方程来研究降落伞伞绳材料特性对最大伞绳力的影响。
　　2 数学模型
　　降落伞充气过程的动力学方程包括三个部分：降落伞动力学方程，载荷物动力学方程，伞绳、连接带以及吊带的约束方程。在以下的分析中都采用如下假设：(1)平面大地；(2)降落伞和载荷物为六自由度刚体,降落伞在充气过程中质量矩阵发生变化，伞衣带动空气的惯性效应用附加质量来表示；(3)伞绳和吊带只能承受拉力；(4)降落伞始终保持轴对称形状，其压心与伞衣质心重合；(5)降落伞运动引起的空气团的能量变化用附加质量张量来表示，而载荷物运动引起的空气团的能量变化可忽略不计；(6)载荷物尾流对伞的影响忽略不计；(7)伞衣阻力面积是充气时间的确定函数。
　　3 计算结果和分析
　　伞绳的应力应变关系与加载速度，加载方式有关，而且动态加载具有不可重复性，在伞绳动力学研究时，一般有如下几种简化处理模型：1）线性弹簧模型，伞绳的弹性系数为常值；2）非线性弹簧，通过实验测量得到伞绳静态加载应力应变关系，伞绳存在变化的瞬时弹性系数；3）线性弹簧阻尼模型，伞绳的弹性系数为常值，考虑伞绳的阻尼，且阻尼一般为常值；4）非线性弹簧阻尼模型，伞绳的弹性力由第二种模型计算，考虑阻尼力，阻尼系数数值与伞绳瞬时弹性系数数值之比为常值[8,11]。在“神舟”号载人飞船的降落伞系统中一般采用非线性弹簧和非线性弹簧阻尼模型[12]，为了分析一定范围内不同伞绳静态应力应变关系和阻尼系数对最大伞绳力的影响特设仿真工况如表2：
　　表2仿真工况

　　 以“神舟”号载人飞船正常返回为例，在相同初始条件下进行6个工况的仿真，得到6个工况下减速伞、主伞、转换吊挂三个阶段的最大伞绳伞绳力如下表3所示。
　　表3最大伞绳力(KN)

　　从表3工况1、工况2、工况3中可以看出，在工况1的基础上，增大减速伞伞绳的弹性系数有利于降低减速伞一级充气阶段最大伞绳力，如工况2中的减速伞一级充气最大伞绳力为48.10KN，低于工况1的对应值达11.59KN，减小幅度较大；而在原有的基础上减小减速伞伞绳的弹性系数，对减速伞一级二级充气的最大伞绳力几乎没有影响，变化幅度在±2KN范围内，这与文献的实验数据得到图像数据比较一致[4]。在原有的基础上，增大和减小主伞伞绳的弹性系数对主伞一级二级充气的最大伞绳力也几乎没有影响，但是对转换吊挂有很大的影响，在原有基础上增大主伞伞绳的弹性系数，会导致转换吊挂阶段最大伞绳力上升，这是因为在转换吊挂过程中，有一段的时间内，伞绳处于松弛阶段，返回舱与主伞之间无约束自由下落，而后伞绳重新绷紧，这一过程相当于绳系物体系统绳子一端固定，物体在一定的自由高度垂直下落，其动载荷系数为[13]：
　　  (13)
　　式中，为绳系物体系统中物体质量，为绳子弹性系数，从公式中可以发现，在其他条件一致的情况下，增大绳子的弹性系数，会增加动载荷系数，增大绳子冲击力。
　　通过结果分析，在其他条件一致的情况下，增大减速伞伞绳的弹性系数，减小减速伞伞绳阻尼系数有利于减小减速伞一级二级充气的最大伞绳力，而增大主伞伞绳弹性系数会增大转换吊挂阶段的最大伞绳力，而在一定范围内主伞伞绳弹性系数和阻尼系数对主伞一级二级充气过程中的最大伞绳力几乎没有影响。
　　4 结束语
　　在载人航天器回收着陆过程中，最大伞绳力往往是降落伞系统设计者非常关心的一个指标。本文通过建立降落伞充气过程的物伞系统十二自由度动力学方程，采用了非线性弹簧和非线性阻尼弹簧伞绳数学模型，比较了不同伞绳应力应变关系和阻尼系数下回收着陆分系统各个工作阶段的最大伞绳力的变化，对“神舟”号载人飞船的降落伞系统得到了如下结论：
　　1） 增大主伞伞绳弹性系数会引起转换吊挂阶段最大伞绳力增大。
　　2） 增大减速伞伞绳的弹性系统，减小减速伞伞绳的阻尼系数有利于减小减速伞一级二级充气的最大伞绳力
　　3） 主伞伞绳的弹性系数和阻尼系数几乎不影响主伞的一级二级充气阶段最大伞绳力。
　　在本文研究降落伞充气过程中，并没有考虑到伞衣的弹性现象以及与之相关的降落伞充气过程中的伞衣“呼吸”效应，在真实的降落伞充气实验中，即使是改变比伞绳长度短的中间吊带的材料特性也对降落伞充气过程产生了相当大的影响[4]。因此下一步的可展开在现有方程中考虑降落伞伞衣弹性，伞衣“呼吸”效应，伞衣阻力面积变化需要通过方程计算，伞绳应力应变关系考虑塑性变形等研究。

《降落伞伞绳材料特性对最大伞绳力的影响》

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文章名称： 降落伞伞绳材料特性对最大伞绳力的影响

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