火星探测器降落伞减速过程建模与仿真研究

发布时间：2020-06-02 17:09

【摘要】：火星探测器进入火星大气后要采用降落伞进行气动减速,降落伞减速过程是探测器整个着陆过程中最为关键的阶段之一。由于火星大气与地球大气存在巨大差异,火星降落伞的开伞条件具有超声速、低动压、低密度的特点。特殊的开伞条件导致火星降落伞减速过程会出现绳帆、颤振和呼吸、无限质量开伞、减速效率降低、稳定性变差等问题,与返回地球时的降落伞减速过程存在较大的差别,有必要对火星探测器降落伞减速过程开展深入研究。本文以我国首次火星探测工程着陆巡视器的降落伞减速系统为研究对象,围绕火星环境下降落伞减速工作过程中降落伞弹射拉直过程、降落伞的充气过程及气动性能、降落伞充满后与着陆巡视器组合体的运动过程及弹道偏差散布、火星降落伞的开伞控制等问题展开研究。主要研究内容如下:研究了火星降落伞的弹射拉直过程。针对火星环境下超声速、低动压、低密度的特殊开伞条件,建立了完整的降落伞弹射拉直动力学模型,模型结合火星降落伞的特点将弹射拉直过程划分为多个阶段,模型中针对着陆巡视器、降落伞伞包以及弹伞筒盖建立了刚体模型,针对伞包内的吊带、伞绳、伞衣建立了柔性绳索模型,并考虑了多根绳索一起从伞包中被拉出时的相互缠绕及遮挡影响。论文通过设置弹射分离速度、总攻角、马赫数、高度等不同的初始条件,开展了多工况的仿真计算,分别从拉出时间、拉出位形、吊带拉力变化、最大偏离距离等方面分析了不同因素对弹射拉直过程的影响。所得结论为我国首次火星探测降落伞减速系统方案设计中弹射分离速度指标的确定提供了参考。研究了火星降落伞充气展开过程及其气动性能。针对用于火星探测的盘缝带伞建立了多节点充气动力学模型,解决了降落伞在超声速条件下充气的快速大变形流固耦合建模问题,可用于超声速条件下降落伞充气展开过程的仿真分析,获得气动性能计算结果。基于ALE(任意拉格朗日-欧拉)方法,利用RADIOSS软件对不同马赫数下的火星降落伞充满后气动特性进行流固耦合仿真分析,研究出合理的仿真模型方法,首次明确提出了ALE中降落伞仿真相关的接触设置方法。论文利用风洞试验结果对仿真模型的正确性进行了验证,在此基础上针对火星条件下的开伞充气过程及充满后的气动性能进行了仿真计算。研究了着陆巡视器与降落伞组合体的动力学特性。以我国火星探测着陆巡视器为对象,建立了完整的器伞组合体动力学仿真模型,包括降落伞模型、着陆巡视器模型以及两者间的吊挂模型,模型中考虑了降落伞的附加质量,采用小质量点法求解中间约束环节的连接带、吊带的约束力。在器伞组合体动力学模型的基础上,基于蒙特卡洛方法对火星探测器降落伞减速过程开展了多种因素影响的偏差仿真,得到了较为全面的统计结果,发现开伞条件的散布带来减速所需时间、高度的散布较大,而降落速度、动压、姿态等散布相对较小。所得结论为我国首次火星探测降落伞减速系统方案设计中开伞条件指标的确定提供了参考。研究了火星降落伞的开伞控制方案。针对火星降落伞的特点,结合我国火星探测着陆巡视器的总体方案,对多种开伞控制方案进行了适用性分析,得出了适合选择基于动压的自适应开伞控制或者马赫数开伞控制方案的结论。结合动力学偏差仿真对基于动压的自适应开伞控制方案以及以马赫数为目标的开伞控制方案进行了分析,结合弹射拉直过程的仿真首次提出了基于动压的自适应开伞控制和马赫数开伞控制方案中应增加开伞攻角控制策略,已为工程型号采纳。本文并对自适应开伞控制的硬件实现方案进行了初步的研究。论文所得结论为我国首次火星探测降落伞开伞控制方案选择提供了参考。
【图文】：

组成图,降落伞,组成图,子系统

图 1.1 降落伞子系统组成图盘缝带伞的顶幅如同平面圆形伞，，中间开有顶孔。侧边是一个圆柱形围在顶幅与侧幅之间留有较宽的缝隙，见图 1.2 所示。盘缝带伞结构简单，形状对受力均匀，稳定性好，在低密度环境下使用可靠性高。

结构示意图,透气量,伞衣,性能

第 9 页图 1.2 盘缝带伞结构示意图种盘缝带伞的结构参数见表 1.3。由表iking 型（Viking,Phoenix,MSL 采用）这两类盘缝带伞的盘直径、缝宽和带衣结构透气量存在明显的差异[24]-[25]。主要是强调伞的阻力性能，伞衣的结构35 左右；而 MPF 及其改进型盘缝带性能，伞衣的结构透气量在 9%～10%
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V476.4

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