翼傘
關注創建者：云數仿真 創建時間：2023-11-27
翼傘的實例教程
引 言
翼傘是一種雙層結構的柔性矩形翼，上、下翼面用翼型的肋幅分隔成若干氣室，翼型前緣開口，在前進飛行中形成“沖壓空氣”，維持若干個氣室的內壓以保持翼型。當翼傘系統需要進行機動轉彎和雀降等操縱動作時，會對翼型后緣進行下拉偏轉操作來實現。
翼傘后緣偏轉的操縱過程會顯著改變翼面的整體氣動布局，同時需要多根操縱繩精確協同控制，是典型的氣動與結構緊耦合問題，涉及到的動力學問題復雜多變。對于翼傘系統操縱過程的動力學機理問題研究一直是降落傘領域的關鍵技術和熱點問題。
本文基于 Structured ALE（S-ALE）流固耦合方法對翼傘后緣偏轉過程進行動力學建模和仿真分析。研究翼傘三維模型后緣偏轉過程、傘衣結構場和周圍流場的時變演化規律及分布特性，為進一步指導大型翼傘精確空投系統的飛控系統設計和技術應用提供參考。
流固耦合建模
本文所研究的翼傘后緣偏轉過程是針對充滿鼓包狀態的翼傘三維模型進行的。翼傘系統包括傘衣、傘繩和掛重載荷，幾何模型如圖 1 所示。實際流固耦合仿真過程只考慮傘衣結構與流場的雙向耦合作用；傘繩在翼傘偏轉過程承受拉力，且通過傘繩施加后緣下拉過程的作用力載荷；忽略傘繩與周圍流體的耦合作用和繩索的阻尼效應。
圖 1 翼傘系統三維幾何模型
仿真方法驗證
為避免因流體和結構單元之間尺寸差異過大而導致顯式動力學積分過程可能出現的非物理特征“沙漏現象”，進而引起計算發散，流場網格尺寸與結構網格尺寸盡量接近1∶1，如圖 2 所示。
圖 2 翼傘氣室流固耦合仿真網格模型
本文采用 S-ALE 求解方法對流固耦合模型進行仿真計算，S-ALE 方法與傳統 ALE 方法的基本理論相同，均包括了映射過程的對流輸運、界面重構和歐拉流場與拉格朗日結構相互作用的流固耦合過程。
展開 回程的時候，我們開發了面積為3200平方英尺的翼傘--有史以來操作過的最大的翼傘；熱氣球本身實際上是一個大塑料球向地球墜落，然后一個團隊去收集熱氣球，把它制成塑料瓶。
（圖片來源于必應）
我們真的覺得通過這種方法可以向人們打開一扇門去進行太空體驗，這種方法無可替代。人類一直在探索；我們一直在超越；我們一直都在向前，我們也必須這樣做。
（https://www.fastcompany.com/3035052/why-this-company-wants-to-take-you-on-a-balloon-ride-to-the-edge-of-space 這里有非常精美的圖片）
展開 在大氣阻力的幫助下，一旦整流罩減到一定的速度，裝備有衛星定位系統的可操縱降落傘(稱為“翼傘”)將在水面上空約8公里處展開。如果一切按計劃進行，翼傘將使整流罩輕輕滑入史蒂文先生的網中。
史蒂文先生于2018年2月首次亮相，試圖在獵鷹9號火箭將一顆西班牙雷達成像衛星送入軌道后捕捉到整流罩。這次嘗試失敗了，回收船距離整流罩的降落位置幾百米，但SpaceX沒有放棄。史蒂文先生已經冒險回到海上進行了三次后續嘗試。盡管迄今為止的所有嘗試都沒有成功捕獲整流罩，但SpaceX一直在收集重要數據，以幫助公司向前發展。
8月13日，我看到了一個罕見的景象:史蒂文先生的網中放著整流罩。SpaceX公司似乎在利用整流罩進行測試，以便工程師更好地了解史蒂文先生的捕網性能。從網中可以看到的是整流罩的兩個部分之一，其連接在一個起重機上被反復升降。
史蒂文先生的新網比之前的更大更結實。從表面上看，即使沒有起重機的支撐，整張網似乎也能承受整流罩的重量。這是一個非常好的消息，因為SpaceX公司并不會想要整流罩砸穿網撞到史蒂文先生的甲板上。
（圖示：8月13日，史蒂文先生的網中放著整流罩。SpaceX公司似乎在利用整流罩進行測試，以便工程師更好地了解史蒂文先生的捕網性能。）
目前，SpaceX正專注于回收一半整流罩，并繼續將另一半打撈出海。這一成就將標志著總部位于加州霍桑的航空航天公司的巨大成功;設法在再次發射時只重用一個整流罩的一半，隨著時間的推移也將會節省大量的成本。目前，附近的火箭工廠工人正在加緊升級版整流罩的生產，這將有助于公司的回收工作。
（圖示：從表面上看，即使沒有起重機的支撐，整張網似乎也能承受整流罩的重量。）
過去幾個月，SpaceX位于佛羅里達州卡納維拉爾角(Cape Canaveral)的發射基地一直熱鬧非凡，自今年6月份以來共進行了四次發射。
展開 面向中國3.35 m直徑運載火箭著陸緩沖機構
著陸緩沖機構展開試驗圖
4
火箭殘骸落區控制技術
利用CZ-2C火箭開展了整流罩落區控制應用研究，采用減速傘作為控制裝置；利用CZ-3B火箭開展了助推器落區控制飛行試驗，通過翼傘將助推器導引至預定的安全區域降落。
助推器傘控系統全程飛行剖面
5
傘降回收技術
開展了一子級傘降陸地回收技術和一子級動力艙段空中回收技術研究。
降落傘系統采用2具減速傘+3具主傘方案，并利用布置在一子級前后端的氣囊系統對著陸過程進行緩沖。
完成5 t級回收體大型群傘+緩沖氣囊空投飛行試驗（圖5）、傘降回收全尺寸箭體尾段結構疲勞試驗，突破“柵格舵+群傘+氣囊”回收總體設計、子級回收大型群傘設計、自吸氣型大型緩沖氣囊、智能掛取系統設計等關鍵技術。
大型群傘+氣囊陸上回收空投試驗驗證
綜上，由于發動機節流深度與國外大推力發動機相比仍存在差距，這制約了中國基于傳統構型的重復使用運載火箭的研發，整體尚處于跟跑 狀態。
但正由于此，中國學者突破了在推重比遠大于1（6~8）的嚴苛條件下，在線自主軌跡規劃和制導與控制技術；并在著陸速度存在較大偏差（不超過5 m/s）的條件下，克服了大跨距、短窗口、高偏差、強沖擊等系列設計難題，實現著陸緩沖機構可靠展開、準確鎖定、穩定減速與高效緩沖等多項功能。上述兩項技術具有國際領先水平。
垂直回收方式的關鍵技術
考慮到垂直回收是中大型運載火箭的主要復用方式，本節重點針對這種模式討論關鍵技術。
垂直回收的典型工作場景示意圖
液體火箭發動機推力調節
當前發動機推力調節技術主要包括具有流量調節能力的高壓降噴注器、多集液腔噴注器、針栓噴注器、氣體噴注和噴管喉部調節方法5種途徑。
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