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伞降末敏子弹动力学特性研究

马晓冬  
【摘要】:伞降末敏子弹利用非轴对称旋转降落伞进行减速和导旋,最终进入稳态扫描阶段,其动力学特性在一定程度上取决于非轴对称旋转降落伞的整体性能。本文采用理论分析、数值仿真与试验研究相结合的方法,对非轴对称旋转降落伞系统的充气过程、气动特性及伞降末敏子弹的弹道特性和运动稳定性进行了系统的研究,为伞降末敏子弹结构设计优化、扫描效率提升及非轴对称旋转降落伞系统的推广应用提供了理论依据和技术支持。以一种典型的非轴对称旋转降落伞-涡环旋转伞为研究对象,建立了其拉直状态下的充气模型,利用任意拉格朗日-欧拉流固耦合算法,获得了充气过程中伞衣动态变化、伞衣投影直径和转速等时程变化曲线以及充满后伞衣应力应变分布、伞附近流场衍变等数据,分析了伞结构参数和气流速度对充气性能和稳定转速的影响规律。基于流固耦合计算结果,建立涡环旋转伞的流场模型,利用计算流体力学方法,得到稳态下伞附近流场分布规律及其主要气动力参数。根据末敏子弹稳态扫描要求和充气模型结构,设计了涡环旋转伞和伞降末敏子弹的物理模型。进行汽车拖曳试验初步探索涡环旋转伞的充气性能和阻力特征。进行伞塔自由飞行试验,得到了前后伞绳差、伞衣幅面积等结构参数对涡环旋转伞减速导旋效率的影响规律。提出了有效提高伞降末敏子弹转速落速比的涡环旋转伞结构优化方法,并设计了一种由平面圆形伞和涡环旋转伞构成的串联组合伞。充分考虑伞弹间的连接等实际结构,基于第一类拉格朗日方程,分别建立了伞降末敏子弹的5刚体15自由度动力学模型和带有组合伞的伞降末敏子弹的6刚体21自由度动力学模型。模拟零初速自由下落过程,利用伞塔试验数据验证模型的有效性。对比分析了两系统从减速减旋后至稳态扫描段的弹道规律,结果表明:两系统均满足稳态扫描要求,且组合伞系统的扫描效率优于单伞系统。求解了不同风场影响下的伞降末敏子弹弹道规律,分析了风场对目标捕捉概率的影响规律。充分考虑旋转伞和子弹的连接方式,基于刚体6自由度弹道方程和小扰动假设,建立了伞降末敏子弹的角运动模型。获得了旋转伞和子弹在无风和有风条件下的角运动变化规律。利用角运动扰动方程,给出了系统运动稳定性的判定方法,分析了系统结构参数对运动稳定性的影响规律。


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