火星进入降落伞下降段动力学仿真分析

发布时间：2017-09-24 00:38

  本文关键词：火星进入降落伞下降段动力学仿真分析

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【摘要】：火星进入段(Entry,Descent and Landing)是整个火星探测任务中技术难度最大、失败率最高的阶段,火星进入段分为大气进入段、降落伞下降段、动力下降段和着陆段四个阶段,其中降落伞下降段是决定整个探测任务成败与否最为重要的一环,很多探测任务的失败都是发生在降落伞下降段。降落伞下降段探测器首先弹出降落伞,之后经历伞绳拉伸、充气、喘振和稳定下降等阶段,接着防热罩与探测器分离以打开雷达,为动力下降段提供位置和速度的导航,在预定高度背罩和着陆器分离,着陆器进入动力下降段进一步减速,为安全着陆做好准备。作为伞降段的两个重要技术操作,防热罩分离和背罩分离成为伞降段设计的关键环节。由于防热罩分离期间复杂的气动耦合,导致在防热罩短期分离期间防热罩和着陆器-背罩组合体之间存在吸引力的作用,给防热罩分离带来了困难;同样由于防热罩和着陆器-背罩组合体之间不同的质量和气动特性,两者的弹道系数不同,需要设计合适的弹道系数差使得两者可以实现正分离。在背罩分离期间,由于速度较小,气动耦合没有防热罩分离明显,同时背罩分离着陆器的质量远大于背罩质量,再加上降落伞对背罩的减速作用,使得两者之间的弹道系数差始终满足正分离的要求,所以背罩分离只需要选择合适的触发参数满足动力下降段对于初始条件的约束。为了分析伞降段的动力学规律,本文建立了伞舱组合体的六自由度刚柔耦合动力学模型,包括探测器模型和降落伞在不同阶段(伞绳拉伸、充气、喘振、完全充气)的模型;然后对伞舱组合体的动力学特性进行了分析,通过对总伞绳力和降落伞摆角之间的关系进行研究,得出在不同降落伞摆角下伞绳的受力规律;并通过蒙特卡洛打靶对总伞绳力进行了分析,计算出总伞绳力的大小和单根吊带受力的最大值,同时通过总伞绳力和单根吊带受力的统计分析,得出总伞绳力和单根吊带受力的分布规律,此外对与舱体动力学特性相关的参量也进行了统计分析;之后对防热罩分离和背罩分离的触发方式进行了分析,提出了可用马赫数摄动区间和需用马赫数摄动区间的概念,结合安全性判据给出了三种不同防热罩分离触发方式的设计方法,并对比分析了三种触发方式的优缺点。对于背罩分离分析了背罩分离过程中的受力情况,以及背罩分离与动力下降段的联系,得出背罩分离触发的设计方法;最后通过蒙特卡洛打靶方法进行了仿真验证,表明防热罩分离和背罩分析的设计触发参数可以满足当前任务的要求。
【关键词】：伞降段 动力学特性 防热罩分离 背罩分离 触发条件
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V412.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 研究现状12-16
• 1.2.1 国外研究现状12-16
• 1.2.2 国内研究现状16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 刚柔耦合动力学模型的建立18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 坐标系定义18-19
• 2.2.1 开伞点坐标系18
• 2.2.2 本体坐标系18
• 2.2.3 速度坐标系18
• 2.2.4 弹道坐标系18-19
• 2.3 坐标系转换关系19-22
• 2.3.1 开伞点坐标系到弹道坐标系19
• 2.3.2 弹道坐标系到速度坐标系19
• 2.3.3 速度坐标系到体坐标系19
• 2.3.4 开伞点坐标系到体坐标系19-20
• 2.3.5 几何关系推导20-22
• 2.4 动力学模型22-26
• 2.4.1 平动动力学模型22-23
• 2.4.2 平动运动学模型23-24
• 2.4.3 转动动力学模型24-25
• 2.4.4 转动运动学模型25-26
• 2.5 探测器和降落伞模型26-30
• 2.5.1 探测器模型26
• 2.5.2 降落伞模型26-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第3章 伞舱组合体动力学特性分析31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 吊带构型31-34
• 3.3 伞绳受力分析34-38
• 3.3.1 总伞绳力34-37
• 3.3.2 单根吊带受力37-38
• 3.4 探测器动力学分析38-40
• 3.4.1 角速度38-39
• 3.4.2 角加速度39
• 3.4.3 摆角39-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 伞降段触发方式分析42-50
• 4.1 引言42
• 4.2 防热罩分离触发方式42-49
• 4.2.1 安全性判据42-43
• 4.2.2 降落伞时钟角的影响43-45
• 4.2.3 可用马赫数摄动区间的计算45
• 4.2.4 需用马赫数摄动区间的计算45-46
• 4.2.5 触发方式分析46-49
• 4.3 背罩分离触发方式49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 伞降段蒙特卡洛打靶仿真50-62
• 5.1 引言50
• 5.2 防热罩分离仿真50-59
• 5.2.1 弹道式进入50-56
• 5.2.2 半升力式进入56-59
• 5.3 背罩分离仿真59-61
• 5.3.1 安全性分析59-60
• 5.3.2 触发条件分析60-61
• 5.3.3 结论61
• 5.4 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-67
• 附录67-70
• 致谢70

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本文编号：908386