翼伞后缘下偏过程的多体非线性动力学研究

Ram-air parafoil systems have strong application value in precision airdrop, controlled recovery and deep space exploration fields. The flight dynamic modeling and experiment method considering the effects of fluid structure interaction (FSI) and steering behaviors by trailing edge deflection are the bottleneck problems of parafoil system research. This application focus on the key problems of steering behaviors by trailing edge deflection during parafoil flight, to study the multibody nonlinear dynamic modelling method of parafoil trailing edge deflection on represent of FSI effects. The key scientific problems to be addressed as follow: to develop the unsteady aerodynamics analysis method and FSI dynamic modelling effect during parafoil trailing edge deflection, and to design the parafoil subscale wind tunnel test as well as the theorectical analysis method. The research achievements can be directly provide technique supports for the practical application and project development of parafoil precise airdrop system.

冲压式翼伞系统在精确空投、可控回收和深空探测等领域都有很强的应用价值。考虑流固耦合和后缘下偏操纵行为的翼伞飞行动力学建模及试验方法是研究翼伞系统应用的瓶颈问题。本申请集中分析翼伞飞行过程后缘下偏操纵行为的关键难点问题，研究基于流固耦合作用的翼伞后缘下偏过程多体系统非线性建模方法。拟解决的关键科学问题：翼伞流固耦合的动力学建模和非定常气动效应分析方法，翼伞后缘下偏过程的时滞效应和多体非线性动力学分析方法，翼伞缩比试验和理论分析方法。研究结果为翼伞精确空投系统的实际应用和型号研制提供技术支持。

冲压翼伞作为降落伞气动减速器的一种，广泛应用于空降空投、可控回收等航空航天领域，工作过程涉及到气动与结构耦合的动力学行为，同时也是空气动力学领域的前沿问题。翼伞后缘偏转类似于柔性变体飞行器的飞行过程，通过拉翼型后缘改变翼伞结构的整体气动布局从而实现翼伞系统转弯和雀降着陆等典型机动动作，本项目开展的研究内容属于空气动力学为主的多学科耦合问题。本项目针对翼伞后缘下偏过程的气动、结构与飞行的耦合动力学问题进行建模仿真，开展了翼伞后缘单侧下偏和双侧下偏过程的流固耦合建模与多体动力学的建模仿真。冲压翼伞飞行过程通过拉偏后缘实现机动转弯和雀降等操纵动作，涉及到柔性织物结构与气动力的耦合作用过程。基于瞬态非线性动力学方法对翼伞后缘偏转过程的流固耦合动力学行为进行数值仿真和理论分析。采用基于SALE算法的动网格技术和罚函数法对耦合场和界面进行建模，提高了仿真的计算效率。分析了后缘下偏过程伞衣结构表面的应力分布和结构强度情况，给出后缘下偏过程周围三维流场演变机理，分析分离流动现象；分别针对后缘单侧下偏和双侧下偏的流固耦合行为进行仿真，获得时间历程的翼伞气动性能参数变化曲线，发现了后缘下偏过程的操纵延迟现象。结果表明了方法的有效性，为大型冲压翼伞的设计和应用提供理论和技术支撑。开展了翼伞后缘下偏过程的控制系统建模，分析了时滞效应和翼伞系统的滑翔、转弯及雀降特性。开展了刚性翼伞和半刚性翼伞的风洞缩比试验和理论分析方法研究。研究结果为翼伞精确空投系统的实际应用和型号研制提供技术支持。