大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究.pdf

第 44 卷 第 3 期航天返回与遥感 2023 年 6 月 SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING 9 收稿日期：2022-06-13 基金项目：国家自然科学基金（11602018）引用格式：苏浩东,滕海山,刘宇,等.大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究J.航天返回与遥感,2023,44(3):9-20.SU Haodong,TENG Haishan,LIU Yu,et al.Research on Towing Take-Off Dynamics of Large Powered ParafoilJ.Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2023,44(3):9-20.(in Chinese)大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究 苏浩东1,2 滕海山1,2 刘宇1,2 吴卓1,2（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 中国航天科技集团有限公司航天进入、减速与着陆技术实验室，北京 100094）摘 要 动力翼伞具有有效载荷大、续航时间长、安全性和可靠性高以及成本低等优点，在军用和民用领域有很大的发展潜力。文章针对动力翼伞的地面拖曳起飞过程，根据牛顿力学的基本原理，建立了动力翼伞拖曳起飞纵向动力学模型，描述了翼伞拖曳、稳定、放飞过程的运动状态，搭建了动力翼伞运动过程的仿真环境，分别模拟了拖曳过程与放飞后翼伞的运动状态。通过控制变量比较了翼伞在不同运动参数下的稳定情况，给出了动力翼伞释放的速度、角速度以及角度条件，得出了地面拖曳车辆的合理运动模式及动力翼伞释放时机，对于后续动力翼伞的工程应用具有一定的指导意义。关键词 拖曳起飞 动力学仿真 翼伞摆角 拖曳车运动 动力翼伞 中图分类号:V212.13 文献标志码:A 文章编号:1009-8518(2023)03-0009-12 DOI:10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.002 Research on Towing Take-Off Dynamics of Large Powered Parafoil SU Haodong1,2 TENG Haishan1,2 LIU Yu1,2 WU Zhuo1,2（1 Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity,Beijing 100094,China）（2 Laboratory of Aerospace Entry,Descent and Landing Technology,CASC,Beijing 100094,China）Abstract Powered parafoil has the advantages of large payload,long endurance,high safety,high reliability and low cost.It has great development potential in military and civil fields.In this paper,aiming at the ground towing take-off process of power parafoil,according to the basic principle of Newtonian mechanics,a longitudinal dynamic model of power parafoil towing take-off is established to describe the motion state of powered parafoil towing,stability and release process.A simulation environment for the motion process of power parafoil is built.The motion state of the parafoil during towing and after releasing is simulated respectively.The stability of the parafoil in different motion parameters is compared through control variables.The release speed,angular velocity and angular conditions of the power parafoil are given.The reasonable motion mode of the ground towed vehicle and release time of the powered parafoil are obtained,which has certain guiding significance for the engineering application of the follow-up powered parafoil.Keywords towing take-off;dynamics simulation;swing angle;towing vehicle movement;parafoil stability;powered parafoil 10 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 0 引言 动力翼伞是在冲压翼伞的基础上发展而来，继承了翼伞优良的气动特性、飞行性能和无人机的控制性能，相较于其他种类的无人机，动力翼伞具有飞行平稳，可控性强，安全可靠与成本低等优势，已经逐渐应用于农林植保、物资投送等军民用领域1。近年来，国内外关于动力翼伞的研究主要集中在中小型翼伞的动力学仿真与控制上。进行动力翼伞的研究，首先需要分析其动力学特性，动力翼伞的运动过程主要有起飞、爬升、巡航、转弯、下降与着陆 5 个阶段。针对这 5 个阶段，国内外的研究者进行了不同自由度下翼伞的动力学建模与仿真2-10。杨华建立了动力翼伞纵向四自由度动力学模型，提出了通过降落阶段短暂的动力操纵实现雀降的新方法11；康鹤云建立了动力翼伞六自由度动力学模型，全面分析了动力翼伞平飞、爬升、转弯等主要飞行性能，分析了动力翼伞的展弦比、安装角等对飞行性能的影响12；GORMAN 建立了翼伞系统的七自由度模型，在仿真分析之后发现，翼伞转弯时，七自由度模型比六自由度模型产生的相对偏航角的变化更为显著13；胡文治对翼伞系统采用九自由度动力学建模进行计算，通过仿真得到翼伞系统的滑翔、雀降、转弯等基本运动特性，分析了翼伞安装角、空投物质量、空投物阻力特征等参数对翼伞系统飞行性能的影响14；OCHI 提出翼伞九自由度非线性飞行动力学模型，研究了伞面相对于有效载荷进行滚转运动的转弯性能15；蒋万松等基于可控翼伞回收技术的火箭助推器控制平台翼伞多体飞行系统为研究对象，采用拉格朗日建立了三体组合十自由度多体动力学仿真模型，通过仿真与试验的对比分析飞行机理和系统性能16；张青斌等采用拟坐标形式的拉格朗日方程，提出反映翼伞连接方式和相对运动的翼伞多体动力学建模方法，建立了四体十八自由度动力学模型，有效反映了翼伞系统的相对运动17。迄今为止，国内外对于一般冲压翼伞的建模与仿真水平已经非常成熟，对于动力翼伞也实现了多方面的应用，但对于大型动力翼伞的理论研究还比较匮乏，尤其是针对动力翼伞地面放飞过程及拖曳起飞的动力学研究仍属空白。与小型翼伞飞行器相比，大型动力翼伞的动力学与控制原理基本与之相同，但使用更大的冲压翼伞作为机翼，往往需要更大马力的发动机来匹配，对控制的要求也更高，另外对于气动性能、飞行力学等方面的理论也需要进一步研究与试验验证18-22。本文以某大型动力翼伞（面积为 300 m2）为研究对象，通过地面车辆拖曳的方式放飞翼伞，建立了描述动力翼伞拖曳起飞过程的纵向动力学模型，根据已经得到的升阻力系数与压心条件仿真分析了拖曳起飞过程中，翼伞在不同初速度、角速度以及摆角下放飞的运动情况，获得了拖曳运动规律以及动力翼伞的起飞释放条件，为大型动力翼伞的设计研究提供参考。1 纵向动力学建模 1.1 建模对象 本文所研究的大型动力翼伞的伞系统为已研制成功的 300 m2冲压翼伞，建模对象为拖曳与起飞过程的翼伞机身系统，机身部分等效为长方体结构，带有螺旋桨推进系统，推力设定为 8 000 N，系统整体在起飞前固定于拖曳车后方。拖曳过程为，汽车以一定加速度运动至一定速度，翼伞受牵引的作用升起并逐渐稳定，当升力达到可以克服系统重力并且翼伞稳定时，则放飞动力翼伞，进而动力翼伞靠自身发动机推力爬升。系统整体外形如图 1 所示。第 3 期 苏浩东 等:大型动力翼伞拖曳起飞动力学研究 11 研究动力翼伞的拖曳起飞过程，可将模型简化至纵向平面内分析，如图 2 所示。图中，I 为伞绳对翼伞的拉力作用点，J 为伞绳与机身的连接点，Op为翼伞质心，Of为机身质心，IJ 为等效伞绳且假设始终与翼伞弦向垂直，C 为翼伞的气动力作用点，位置随攻角的变化而变化；L 为气动升力，D 为气动阻力，G1和 G2分别为机身和翼伞所受重力，、分别为翼伞的攻角、俯仰角以及航迹倾角，且 和伞绳 IJ 与竖直方向的夹角即翼伞摆角相等。图 1 动力翼伞起飞系统示意图 Fig.1 Sketch map of powered parafoil take-off system 图 2 机身翼伞纵向简化模型 Fig.2 Longitudinal simplified model of fuselage-parafoil 假设翼伞在拖曳运动过程中伞绳与翼伞始终为一个整体，只有绕连接点的转动与随机身的平动，推力方向过机身质心且与机身轴线平行，机身的升阻力均忽略不计。1.2 动力学方程建立 对翼伞进行纵向动力学建模（见图 2），分别以 Op和 Of为原点建立坐标系，其中伞轴系的 X1轴平行翼伞弦向指向前缘，机身轴系的 X2轴平行于机身轴线向前，Y1轴垂直于 X1轴，Y2轴垂直于 X2轴。假设在拖曳阶段，机身与拖曳车固连做匀加速直线运动，则翼伞的运动为绕连接点的转动和随机身的水平运动。列写翼伞的运动学方程为 ()()()()ppppnpICICpnO Ipsincoscossinsincoscossincossinsincos(sincos)XYm xFLDm yFLDm gJLDllLDllm gllM=+=+（1）式中 mp为翼伞质量；x和y分别为翼伞水平、竖直方向的位移；FX和FY为系统所受外力；Mp为翼伞系统所受外力矩；l为伞绳特征长度；gn为重力加速度；lIC为伞绳与翼伞连接点到气动中心的距离，pO Il为拉力作用点到翼伞质心的距离；Jp为翼伞绕连接点转动惯量，可表示为 2p1pJJm l=+（2）式中 J1为翼伞绕质心转动惯量。对于放飞时刻，拖曳车不再对系统施加力的作用，转而机身发动机开启推力作用，因此考虑发动机推力的作用即可得到动力翼伞放飞时刻的动力学方程 12 航 天 返 回 与 遥 感 2023 年第 44 卷 pftpftpfno1IC1ICt 2()cossincos()sincossin()(sincos)(cossin)(cossin)(sincos)mmxFLDmmyFLDmmgJLDllLDllFl+=+=+=+（3）式中 mf为机身质量；Ft为机身发动机推力；l1和l2分别为翼伞和机身各自质心到系统质心的距离，且f1pfmllmm=+，p2pfmllmm=+；Jo为动力翼伞整体对系统质心的转动惯量，进而可表示为 22o1p 12f 2JJm lJm l=+（4）式中 J2为机身绕质心转动惯量。1.3 外力求解 考虑拖曳过程中汽车加速度a和汽车质量mv为已知，将汽车与机身看作整体，考虑翼伞对车身的拉力作用，可以写出汽车水平方向的运动方程为 trJvfsin()FFFmm a=+（5）式中 Ft为汽车发动