下载文档原格式
34Internet Technology互联网+技术一、引言降落伞是一种可展开式气动减速装置，其产生的气动阻力可使飞行器减速到预定速度并平稳落地。
目前，降落伞在越来越多的领域得到应用，如发生自然灾害或战争时，可以通过降落伞空投物资设备、武器弹药；在航空航天领域，降落伞可用于深空探测、航天器减速回收；在民生领域，同样广泛使用到定点跳伞、精准着陆等。
近年来，我国航天事业发展取得了显著成绩，火箭发射活动位居世界前列[1] ，使得降落伞系统在火箭助推器回收领域受到广泛关注并成为研究热点。
火箭助推器在实施级间分离后，由于惯性作用仍处于高空高马赫飞行状态，通常速度在1马赫数以上[2]，若不对其坠落过程施加控制，可能对落区范围内的建筑造成破坏，对地面人员及财产造成威胁。
所以，应用降落伞系统对火箭助推器回收过程进行减速，成为当下迫切需要解决的一项命题。
20世纪80年代起，各国运载火箭伞控回收工作取得长足发展，如美国Kistler 航宇公司开展的两级运载火箭K-1的回收 ，欧洲航空局与俄罗斯合作的“阿里安5”助推器回收以及随后美国进行的“战神I-X”运载火箭试验性发射回收[3] 等。
而我国的研究起步较晚，整体研究尚处于理论到实际应用之中[4] 。
国防科技大学进行了火箭助推器回收方面的数字仿真分析[5]。
中国运载火箭研究院及空间机电所合作进行了运载火箭分离体安全回收方案设计及演示验证项目，相继进行了系统方案论证和缩比模型的回收试验工作[6]。
在回收过程中，火箭助推器-降落伞系统经过降落伞拉直阶段、充气阶段两个较短过程后，将以稳定速度降落飞行到预定高度。
此时，风场作用将成为系统飞行运动特性的主要影响因素。
然而，目前对火箭助推器回收伞降过程的研究多集中在无风作用情况火箭助推器伞降回收系统建模及仿真分析摘要：在火箭助推器回收过程中，经过降落伞减速，系统将以稳定速度飞行，此时高空风场将成为返回过程的主要影响因素。
通过牛顿-欧拉方程建立了火箭助推器-降落伞系统的六自由度模型，并在此基础上建立系统风场模型。
无人机伞降回收系统设计与实现刘靖【摘要】Based on studying the composition and working principle of the parachute recovery system for a certain unmanned aerial vehicle, the recovery system is detailed designed according to the general requirements of the UAV. Considering the dynamic load of opening the parachute, landing speed and recovery damping requirements, the system uses a guiding decel⁃erating parachute, the main parachute convergent technology and the damping airbag buffer. Through the simulation analysis and actual flight test validation, the system is designed to be reasonable and meet the recovery requirements.%对无人机伞降回收系统的组成及工作原理进行研究，在此基础上依据无人机总体要求对回收系统进行详细设计，综合考虑系统开伞动载、稳降速度及回收减震等要求，系统采用减速伞引导、主伞收口及减震气囊缓冲的回收方式，通过仿真分析及实际飞行试验验证，系统设计合理可行，满足无人机回收要求。
【期刊名称】《指挥控制与仿真》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】4页(P109-112)【关键词】无人机;伞降回收;飞行试验【作者】刘靖【作者单位】解放军92419部队，辽宁兴城 125106【正文语种】中文【中图分类】TJ765;E917目前降落伞已广泛应用于无人机的回收，用降落伞回收无人机具有操作简单的优点，接到回收指令，无人机从飞行状态到安全着陆，整个过程自动完成，对操作人员要求低。
火箭助推器翼伞回收动力学仿真与试验分析随着航空航天技术的不断发展，火箭助推器的使用在卫星发射和航天任务中变得越来越普遍。
但是，在火箭的过程中，会产生大量的废弃物，其中包括助推器。
为了更好地利用这些废弃物，提高资源利用效率，科研人员开始尝试对助推器进行回收。
这不仅可以减少浪费，同时也能降低环境污染，提高整个航空航天行业的可持续发展。
然而，火箭助推器的回收并不容易。
传统的回收方案往往需要涉及复杂的技术和高昂的成本。
因此，考虑采用翼伞回收方案成为了科研人员们研究的主要方向。
翼伞回收是通过在助推器上安装一个翼伞，形成升力，以实现回收和降落的过程。
在这个过程中，火箭助推器需要经历复杂的动力学行为，包括降落速度、高度、稳定性、翼伞面积和结构等方面，因此，针对火箭助推器翼伞回收过程的动力学仿真和试验分析显得尤为重要。
本文旨在深入研究火箭助推器翼伞回收过程中的动力学行为，通过仿真模拟和试验分析，寻求更加合理的回收方案，为航空航天技术的可持续发展做出贡献。
首先，本文对翼伞通用动力学模型进行分析，并且在MATLAB/Simulink软件中建立相应的模型。
然后，仿真模拟了助推器的翼伞回收过程，对模型进行了性能和稳定性分析。
通过对模型进行参数优化和控制器设计，达到了更好的降落效果。
同时，本文也对翼伞的结构设计进行了系统的分析，考虑了方案可行性和可靠性等方面。
其次，作者利用实验室条件，进行了翼伞回收方案的试验验证。
在此过程中，设计了不同比例缩小的助推器，并在特定高度下进行了翼伞回收试验。
通过试验结果的分析，验证了仿真模型的可行性和准确性。
并根据实验结果，对仿真模型进行优化调整，进一步提高了翼伞回收效果。
最后，本文总结了所得到的实验结果，提出了火箭助推器翼伞回收方案的优化方向。
在日后的翼伞回收方案设计和实验研究中，将有助于提高回收效率和资源利用效率。
综上所述，本文对火箭助推器翼伞回收过程进行了深入的动力学仿真和试验分析。
翼伞回收是一个复杂的技术问题，但是在现今的环境保护和可持续发展要求下，必须考虑回收利用的问题。
航天器回收与再利用技术研究首先，航天器回收与再利用技术可以减少航天任务的成本。
航天器的制造和发射是十分昂贵的，通过回收使用的航天器，可以降低未来航天任务的制造成本。
例如，可以将回收的航天器进行修复和改进后再次使用，避免了重新制造航天器的费用。
其次，航天器回收与再利用技术可以减少航天垃圾的产生。
当前，宇宙空间已经积累了大量的废弃航天器和碎片，给宇航员和航天器带来了潜在的威胁。
通过回收再利用的技术，可以将这些废弃航天器进行清理，减少宇宙空间垃圾的数量和危害。
目前，航天器回收与再利用技术主要有两种方式：垂直回收和水平回收。
垂直回收是指将航天器通过降落伞、脱了降落仪或涡轮推桨等方式，垂直降落到地面或海洋进行回收。
这种方式主要适用于射程较短的火箭，回收难度较小。
水平回收是指航天器在进入大气层时通过改变姿态，进行类似于飞机降落的过程，最后降落到地面。
这种方式相对来说更加复杂，要求航天器具备较高的飞行稳定性和再进入大气层的能力。
目前，美国的航天飞机就是采用水平回收的方式。
在航天器回收与再利用技术中，还需要解决一些关键问题。
首先是航天器的整体结构和材料的选择。
航天器在使用过程中会经受极端的温度和压力环境，需要具备较高的耐用性和耐热性。
另外，还需考虑航天器的再利用性，如何在回收后进行修复和改进，以满足再次使用的要求。
其次是航天器回收过程中的安全性。
航天器回收过程中需要注意降落的准确性和稳定性，特别是水平回收过程中，要保证航天器能够精确降落到指定地点，以防止对地面环境和人员的伤害。
最后是回收后的航天器再利用问题。
回收的航天器需要经过检修、维护、改进等工序后才能再次使用。
这需要建立完善的检修和维护体系，并进行有效的质量控制，以确保航天器在再次使用时能够安全可靠。
太空舱回收降落伞的原理太空舱回收降落伞是一种用于将航天器从太空回收到地面的重要装置。
它主要通过空气阻力和重力来减慢航天器的下降速度，使之安全降落到地面。
下面我将详细介绍太空舱回收降落伞的原理。
太空舱回收降落伞的工作原理基于空气阻力和重力相互作用于航天器的原理。
当太空舱脱离轨道开始下降返回地球时，其速度非常高，需要减慢下降速度，以免造成过大的冲击和破坏。
首先，在太空舱返回大气层时，速度会导致空气产生巨大的压力。
太空舱周围的气体分子会被推动到太空舱前方，从而形成一个气流。
这个气流会产生一个相反的压力，即空气阻力。
空气阻力是一个与速度平方成正比的力，即阻力大小与速度的平方成正比。
因此，太空舱的速度越快，受到的空气阻力就越大。
而空气阻力会对航天器产生减速的作用。
然后，为了进一步减慢下降速度，太空舱使用降落伞装置。
降落伞的原理是利用空气阻力将太空舱减速至安全范围内。
降落伞通常由一个或多个大型的织物披风组成，通过绳索与太空舱相连。
当太空舱进入大气层后，高速下降产生的气流会打开降落伞。
当降落伞展开时，它会扩大太空舱面对高速下降的表面积，从而增加空气阻力的作用。
这样，降落伞会逐渐减慢太空舱的下降速度。
降落伞通过保持一个较低的下降速度，使太空舱能够在接近地面时安全着陆。
当降落伞减速到一定程度后，可以通过燃烧发动机再次进行推进，以调整着陆位置或着陆姿态。
除了降落伞和发动机，太空舱回收还需要一些其他装置来增加安全性。
例如，需要降落伞线缆、分离系统、空气动力学制动装置等。
这些装置的作用是确保太空舱在回收过程中能够稳定下降，减少冲击和振荡，并保证乘员的安全。
总的来说，太空舱回收降落伞的原理就是通过利用空气阻力和重力相互作用来减慢航天器的下降速度，使之能够安全着陆到地面。
降落伞通过增加表面积，增加空气阻力，从而减慢了太空舱的下降速度。
这种原理在太空舱回收中发挥了重要作用，保证了航天器和乘员的安全。
翼伞空中回收系统的研究及其进展史献林 余 莉(南京航空航天大学,航空宇航学院,南京 210016)摘 要 文章介绍了早期圆形伞空中回收系统的成果和不足;分析了接合伞稳定性的影响因素;论述了新型的翼伞空中回收系统的组成、优势、工作过程和关键技术,并对其应用前景进行了展望。
关键词 空中回收 翼伞 串联伞 航天器The Study and Development of the Parafoil Mid -Air Retrieval SystemShi Xianlin Yu Li(Nanjing Universi ty of Aeronautics and Astronau tics,Nanjing 210016)Abstract This paper introduced the le gac y of the early circle parachute Mid-Air Retrie val system,discussed the influencing factor on the stability of the engage ment parachute,dealt with the ne w parafoil Mid-Air Retrieval system on its c omposition,advantages,working process,key technology and application prospect.Key Words Mid-air retrieval Parafoil Tande m parachute Spacecraft 收稿日期:2007-11-051 引言从20世纪60年代起,空中回收(MAR,Mid-Air Retrieval)系统以无冲击、精确、快速、可靠性高等优点,在无人机、巡航导弹、卫星、航天器返回舱等高价值载荷回收中,得到广泛应用。
MAR 系统按照使用的主伞伞形不同,可以分为圆形伞MAR 系统[1-9]和翼伞MAR 系统[10-13]。
前者从20世纪60年代回收卫星到1989年回收空射巡航导弹(ALC M,Air -Launched Cruise Missile)回收试验为止;后者从1990年中距离无人机(MRUAV,Mid-Range Unmanned Air Vehicle)回收计划至今。
翼伞MAR 系统继承了圆形伞MAR 系统的基本形式和技术成果,极大地提高了接合伞稳定性和载荷质量,受到美国军方、NASA 和美国军工企业的重视和推广。
2 圆形伞MAR 系统2.1 圆形伞MAR 系统的成果和不足圆形伞MAR 系统主要由回收飞机、绞盘、吊杆、挂钩和降落伞等组成[1-2],见图1。
降落伞先后有单伞、带延伸部的底边延伸伞、串联伞、环形/环帆伞等形式,主要采用串联伞形式。
以使用串联伞的回收过程的第29卷第1期2008年3月航天返回与遥感SPACEC RAFT RECOVERY &REMOTE SENSI NG 1为例,飞行员首先根据测控和跟踪系统提供的数据,飞向载荷,观测到载荷后,飞机接近主伞上方的接合伞(图2(a)),使用挂钩勾挂接合伞,绞盘控制冲击载荷,飞机爬升(图2(b)),承载绳张紧,脱离机构工作,主伞失效或抛弃(图2(c)),飞机悬挂着载荷,运往目的地(图2(d))。
图1 圆形伞MAR 系统的伞系统结构形式(a)单伞;(b)带延伸部的底边延伸伞;(c)串联伞;(d)环形/环帆伞图2 圆形伞MAR 系统回收过程示意图圆形伞MAR 系统确定了空中回收的基本形式,满足了高价值载荷在回收中的特殊要求,同时也存在一些不足:1)接合伞不稳定性造成可靠性降低;2)勾挂时相对速度较大,需要绞盘控制瞬间冲击载荷;3)由于绞盘能力有限,限制了载荷质量增加;4)需要改装直升机以安装绞盘和吊杆;5)圆形伞滑翔能力低,轨迹几乎垂直,勾挂时接合伞位于直升机下方,非常影响飞行员视野,对进行勾挂操作很不利等。
这些制约了载荷的增加和MAR 的广泛使用。
2.2 接合伞的稳定性接合伞的稳定性是勾挂成功的关键因素。
通过试验和分析,主要影响因素有:1)接合伞位于主伞后上方,直接受到主伞尾流的影响;2)主伞的滑翔性和稳定性,如主伞的偏航旋转;3)承载绳长度、接合伞阻力特征;4)风场的影响;5)飞机流场等。
2 航天返回与遥感2008年第29卷图3 具有一定滑翔能力的主伞1973年W.J.Everett 在密实伞衣的四分之一环向上,采用大透气量的网状帆片(图3),使圆形主伞具有一定的滑翔能力[5]。
同年,M.W.Higgins 等人通过对比试验,证实滑翔性主伞的接合伞具有更好的稳定性;并建立了六自由度运动学方程,发现接合伞运动轨迹成螺线形下滑,分析是由于滑翔性主伞结构和气动力非对称,造成偏航旋转。
随后试验中证实,当偏航转动速度大于1.5rad/s 时,直升机定位和勾挂操作会非常困难[6]。
1981年W.J.Ev -erett 等人为空射巡航导弹开发了环形/环帆伞系统(图1(d)),将一个小型的环帆伞伞衣,直接通过承载绳束,紧密连接在环形主伞的顶孔上方,由于主伞顶孔漏气作用,具有非常好的稳定性。
这种改进型串联伞稳定性、阻力特性和回收质量都有所提高[7]。
然而到1989年试验成功后,由于经费原因,美国军方停止了空中回收任务。
在应用中常采取下列方法提高接合伞稳定性:1)在满足阻力要求的前提下,增加主伞的滑翔性能,如采用翼伞;2)采用稳定性好的伞型作接合伞,如环缝伞、环帆伞;3)调整承载绳长度,使接合伞位于主伞尾流区以外,但承载绳过长反而容易摆动,需要综合考虑;4)增加接合伞阻力特征;5)采用环形/环帆伞组成的MAR 系统等。
3 翼伞MAR 系统3.1 翼伞MAR 系统的组成及优势1990年Vertigo 公司在中距离无人机计划中,首次使用翼伞代替圆形伞[10,12]。
1997年,Vertigo 公司开始为NASA 的创世纪太空飞船样品返回舱计划,进行翼伞MAR 方案论证,经过一系列的试验飞行,取得重大成功[11-12]。
Ve rtigo 公司在圆形伞MAR 系统基础上,结合上述两个研究计划,开发了翼伞MAR 系统[12-13],见图4。
图4 翼伞MAR 系统示意图图注:1-载荷;2-翼伞;2-1-滑动收口装置;3-承载绳;4-接合伞5-直升机;6-吊索;7-多爪钩第1期史献林 等:翼伞空中回收系统的研究及其进展3翼伞性能是提高MAR 可靠性的关键。
翼伞的滑翔速度应与直升机速度相适应,勾挂时翼伞平飞速度略高于直升机平飞速度,而下沉速度低于直升机下沉速度,以保证直升机勾挂和拖曳效果。
根据试验资料总结,翼伞在动压小于362.5Pa 时开伞,可以有效地减少开伞动载;在低于9km 高度开伞,有足够高的大气密度使伞衣上保持均压,保证伞衣展开的可靠性。
对于重型载荷,在NASA X-38计划中,特大型翼伞(伞衣面积500~700m 2)的开伞控制技术,正在不断成熟,可以回收10t 左右的载荷。
由于取消了绞盘和吊杆,不再需要改装直升机机架,只要根据载重和回收条件选择适当的机型即可。
海上回收时,可以使用大型船舶,建立海基回收平台,以解决直升机航程不足的问题。
结构上的改进,使翼伞MAR 具有明显优势:1)接合伞稳定性极大提高;2)直升机可以保持与翼伞相同的速度和方向,使两者处于近似 静止 状态,相对速度几乎为零;3)采用柔性吊索和自动闭合的多爪钩,勾挂承载绳,代替勾挂接合伞,进一步降低相对速度和冲击载荷;4)由于勾挂相对速度几乎为零,不再需要安装绞盘控制冲击载荷,载荷质量增加,允许达到直升机最大外挂载荷的80%甚至更高(10t 左右);5)翼伞的高滑翔性,使直升机能够以近似恒定的速度和俯仰角,稳定地接近接合伞,保证飞行员具有非常良好的视野,勾挂操作更加容易;6)不需要改装直升机等。
这些提高了载荷质量和回收可靠性。
3.2 翼伞空中回收过程翼伞空中回收过程继承了早期圆形伞空中回收的主要程序,在勾挂作业上更加容易操作。
下面以一个再入式飞船的空中回收案例介绍工作过程[12]。
1)飞船再入大气层,由卫星、红外探测装置、光学跟踪仪、雷达等组成的测控和跟踪系统,确定飞船位置和速度;2)当飞船下降到19km,引导伞开伞,拉出稳定伞,载荷持续减速至亚音速。
8.5km 时,翼伞展开,飞船机载GPS 接收/处理器作为辅助跟踪装置开始工作;3)悬停在回收区域边缘的直升机,根据测控和跟踪系统的数据,飞向飞船通过的空域;4)在3~4km 高度范围,飞行员实施空中回收作业。
空中回收作业可以分为三个步骤:拦截,勾挂和提升,见图5。
a)拦截 当翼伞和载荷进入飞行员视野后,根据翼伞滑翔速度和方向、翼伞承载绳与接合伞的相对位置、吊索长度和风向风速,调整直升机飞行速度和方向稳定接近,保持直升机在翼伞上方、承载绳一侧的适当位置,见图5(a)。
图5 翼伞空中回收过程示意图b)勾挂 完成拦截后,直升机向承载绳方向作侧向飞行,当吊索与承载绳相碰,直升机稍微调整引导承载绳滑向吊索末端的多爪钩(图4,图5(b)),一旦承载绳滑落到一个或几个挂钩臂的喉部,激励安装在喉部的传感器,挂钩臂自动闭合,挂钩即捕获了承载绳,随后挂钩沿承载绳向接合伞滑动(挂钩臂喉部有缝隙)4 航天返回与遥感2008年第29卷第1期史献林 等:翼伞空中回收系统的研究及其进展5(图5(c)),当滑到接合伞处时,接合伞不能通过缝隙,起到限动作用,见图5(d)。
c)提升 勾挂成功后,直升机爬升,承载绳张紧向上拉动滑片(翼伞收口装置,图4),翼伞逐渐收缩(图5(d)),载荷质量由翼伞传递给直升机,随后直升机拖曳着载荷和失效后的翼伞,飞向目的地,见图5(e)。
从整个过程看,翼伞MAR系统的空中回收操作,具有明确的步骤,这一点非常有利于飞行员的训练和实际操作。
在2003年1月的加利福尼亚,Vertigo公司和洛克希德-马丁公司按照上述步骤,进行了二次飞行试验,都取得成功。
近年来,Vertigo公司共进行了22次翼伞空中回收,全部成功,充分表明了翼伞MAR的可靠性。
3.3 翼伞MAR系统的关键技术翼伞MAR系统的关键技术除接合伞的高稳定性外,还表现在以下几个方面:(1)翼伞收口技术翼伞开伞迅速,需要合适的收口装置,控制充气时的开伞动载;在空中回收后,收口装置由承载绳的拉动向上运动(见图4,5),使翼伞平稳失效,以减小相对速度造成的冲击载荷。
当前国外正在发展滑动收口技术[14]和多级展向收口技术[12],以适应翼伞开伞和回收后失效的要求。
(2)载荷跟踪技术直升机能够实时得到载荷的状态数据,修正的飞行轨迹以搜寻到下落中的载荷,是进行空中回收的前提。
