小型冲压翼伞动力学建模与归航研究

论文摘要

翼伞空投是一项将物资或人员从空中运输到目标地点的重要技术,得益于它较大的升阻比、灵活的转弯性能和雀降性能,翼伞系统可实现精确空投和定点无损着陆。在作战补给、人道救援、远程监视和帮助突击队潜入敌阵等方面,翼伞空投都得到了广泛的应用。本文针对空投救援应急任务的需求,研究了某种小型冲压翼伞的气动特性、基本运动特性和物-伞相对运动特性,从精确空投的需求出发,提出了翼伞的实时末制导的方法,为进一步发展精确空投系统提供新的归航技术方案。首先,利用涡格法分别计算了翼伞在滑翔和转弯两种飞行方式的不同工况下气动力和气动力矩,利用最小二乘拟合方法得到了翼伞的各项气动系数参数。其次,基于含附加质量矩阵的全张满翼伞六自由度运动方程,分析了该小型冲压翼伞系统在滑翔和转弯运动过程中运动轨迹、姿态、转弯速率等基本特性;建立了翼伞-载荷两体系统的九自由度模型,研究了以球铰形式联接的载荷-翼伞系统在归航中受风场干扰时和转弯运动时的相对运动。最后,利用自适应遗传算法优化了翼伞分段归航方案;针对小型冲压翼伞运用于救援和应急等方面的实际应用,提出了基于虚拟域法的归航策略,在末段制导转弯段中,实时优化归航路径,以便应对初始转弯点偏差或突风的干扰,实现翼伞系统最终按照预计时间着陆于目标点。该方法采用单边后缘下偏,操纵简单,便于在工程上实现。本文的工作可为小型冲压翼伞系统的设计以及相关问题研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国外著名的翼伞精确空投系统
• 1.2.1 自主制导伞降系统
• 1.2.2“夏尔巴人”高空滑翔空投系统（Sherpa）
• 1.2.3 低成本制导空投系统（AGAS）
• 1.2.4 雪花系统（Snowflake ADS）
• 1.2.5 C’Space微小火箭精确回收系统
• 1.2.6 SPADES空投系统
• 1.3 翼伞动力学建模
• 1.3.1 翼伞系统动力学模型
• 1.3.2 翼伞气动力计算
• 1.3.3 归航策略
• 1.4 翼伞仿真空投系统
• 1.4.1 PADS系统
• 1.4.2 SPADES系统
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 翼伞气动力计算
• 2.1 翼伞气动模型
• 2.2 涡格法计算气动特性
• 2.2.1 涡格法的基本原理
• 2.2.2 基本计算公式
• 2.2.3 平面涡格法
• 2.2.4 涡格法应用于翼伞气动计算
• 2.3 小结
• 第三章 小型翼伞系统的基本运动特性
• 3.1 引言
• 3.2 翼伞系统的坐标系
• 3.3 翼伞系统的质量特性
• 3.3.1 翼伞的真实质量特性
• 3.3.2 翼伞的附加质量特性
• 3.4 翼伞系统力与力矩分析
• 3.5 六自由度动力学模型
• 3.6 翼伞的运动特性分析
• 3.6.1 滑翔性能
• 3.6.2 转弯性能
• 3.7 小结
• 第四章 两体模型的相对运动特性
• 4.1 引言
• 4.2 九自由度模型的建立
• 4.2.1 模型假设
• 4.2.2 坐标系定义
• 4.2.3 质量特性
• 4.2.4 附加质量
• 4.2.5 力和力矩分析
• 4.2.6 九自由度动力学模型
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 风场对翼伞与载荷相对运动的影响
• 4.3.2 转弯性能的相对运动分析
• 4.4 小结
• 第五章 小型翼伞系统的归航
• 5.1 引言
• 5.2 分段归航方案
• 5.3 经典的分段归航轨迹设计
• 5.3.1 轨迹计算
• 5.3.2 轨迹优化
• 5.3.3 归航算例及优化结果
• 5.4 实时末制导
• 5.4.1 末段归航的问题描述
• 5.4.2 末段归航解析解求解
• 5.4.3 虚拟域变换法最优末段归航仿真求解
• 5.4.4 虚拟域变换法最优末段归航仿真优化结果
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果