【摘要】：火星探測器進入火星大氣后要采用降落傘進行氣動減速,降落傘減速過程是探測器整個著陸過程中最為關(guān)鍵的階段之一。由于火星大氣與地球大氣存在巨大差異,火星降落傘的開傘條件具有超聲速、低動壓、低密度的特點。特殊的開傘條件導(dǎo)致火星降落傘減速過程會出現(xiàn)繩帆、顫振和呼吸、無限質(zhì)量開傘、減速效率降低、穩(wěn)定性變差等問題,與返回地球時的降落傘減速過程存在較大的差別,有必要對火星探測器降落傘減速過程開展深入研究。本文以我國首次火星探測工程著陸巡視器的降落傘減速系統(tǒng)為研究對象,圍繞火星環(huán)境下降落傘減速工作過程中降落傘彈射拉直過程、降落傘的充氣過程及氣動性能、降落傘充滿后與著陸巡視器組合體的運動過程及彈道偏差散布、火星降落傘的開傘控制等問題展開研究。主要研究內(nèi)容如下:研究了火星降落傘的彈射拉直過程。針對火星環(huán)境下超聲速、低動壓、低密度的特殊開傘條件,建立了完整的降落傘彈射拉直動力學(xué)模型,模型結(jié)合火星降落傘的特點將彈射拉直過程劃分為多個階段,模型中針對著陸巡視器、降落傘傘包以及彈傘筒蓋建立了剛體模型,針對傘包內(nèi)的吊帶、傘繩、傘衣建立了柔性繩索模型,并考慮了多根繩索一起從傘包中被拉出時的相互纏繞及遮擋影響。論文通過設(shè)置彈射分離速度、總攻角、馬赫數(shù)、高度等不同的初始條件,開展了多工況的仿真計算,分別從拉出時間、拉出位形、吊帶拉力變化、最大偏離距離等方面分析了不同因素對彈射拉直過程的影響。所得結(jié)論為我國首次火星探測降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計中彈射分離速度指標(biāo)的確定提供了參考。研究了火星降落傘充氣展開過程及其氣動性能。針對用于火星探測的盤縫帶傘建立了多節(jié)點充氣動力學(xué)模型,解決了降落傘在超聲速條件下充氣的快速大變形流固耦合建模問題,可用于超聲速條件下降落傘充氣展開過程的仿真分析,獲得氣動性能計算結(jié)果�；贏LE(任意拉格朗日-歐拉)方法,利用RADIOSS軟件對不同馬赫數(shù)下的火星降落傘充滿后氣動特性進行流固耦合仿真分析,研究出合理的仿真模型方法,首次明確提出了ALE中降落傘仿真相關(guān)的接觸設(shè)置方法。論文利用風(fēng)洞試驗結(jié)果對仿真模型的正確性進行了驗證,在此基礎(chǔ)上針對火星條件下的開傘充氣過程及充滿后的氣動性能進行了仿真計算。研究了著陸巡視器與降落傘組合體的動力學(xué)特性。以我國火星探測著陸巡視器為對象,建立了完整的器傘組合體動力學(xué)仿真模型,包括降落傘模型、著陸巡視器模型以及兩者間的吊掛模型,模型中考慮了降落傘的附加質(zhì)量,采用小質(zhì)量點法求解中間約束環(huán)節(jié)的連接帶、吊帶的約束力。在器傘組合體動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,基于蒙特卡洛方法對火星探測器降落傘減速過程開展了多種因素影響的偏差仿真,得到了較為全面的統(tǒng)計結(jié)果,發(fā)現(xiàn)開傘條件的散布帶來減速所需時間、高度的散布較大,而降落速度、動壓、姿態(tài)等散布相對較小。所得結(jié)論為我國首次火星探測降落傘減速系統(tǒng)方案設(shè)計中開傘條件指標(biāo)的確定提供了參考。研究了火星降落傘的開傘控制方案。針對火星降落傘的特點,結(jié)合我國火星探測著陸巡視器的總體方案,對多種開傘控制方案進行了適用性分析,得出了適合選擇基于動壓的自適應(yīng)開傘控制或者馬赫數(shù)開傘控制方案的結(jié)論。結(jié)合動力學(xué)偏差仿真對基于動壓的自適應(yīng)開傘控制方案以及以馬赫數(shù)為目標(biāo)的開傘控制方案進行了分析,結(jié)合彈射拉直過程的仿真首次提出了基于動壓的自適應(yīng)開傘控制和馬赫數(shù)開傘控制方案中應(yīng)增加開傘攻角控制策略,已為工程型號采納。本文并對自適應(yīng)開傘控制的硬件實現(xiàn)方案進行了初步的研究。論文所得結(jié)論為我國首次火星探測降落傘開傘控制方案選擇提供了參考。
【圖文】：

圖 1.1 降落傘子系統(tǒng)組成圖盤縫帶傘的頂幅如同平面圓形傘，，中間開有頂孔。側(cè)邊是一個圓柱形圍在頂幅與側(cè)幅之間留有較寬的縫隙，見圖 1.2 所示。盤縫帶傘結(jié)構(gòu)簡單，形狀對受力均勻，穩(wěn)定性好，在低密度環(huán)境下使用可靠性高。

第 9 頁圖 1.2 盤縫帶傘結(jié)構(gòu)示意圖種盤縫帶傘的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 1.3。由表iking 型（Viking,Phoenix,MSL 采用）這兩類盤縫帶傘的盤直徑、縫寬和帶衣結(jié)構(gòu)透氣量存在明顯的差異[24]-[25]。主要是強調(diào)傘的阻力性能，傘衣的結(jié)構(gòu)35 左右；而 MPF 及其改進型盤縫帶性能，傘衣的結(jié)構(gòu)透氣量在 9%～10%
【學(xué)位授予單位】：國防科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V476.4

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本文編號：2693496