飞船返回舱着水与着陆工况的冲击兼容性设计分析

论文摘要

返回舱返回着陆是载人航天的关键问题，其成功与否直接关系整个载人航天任务的成败。在返回舱返回时，由于外界干扰或者系统故障等影响，着陆轨迹可能发生大幅偏移，并可能造成原先设定的回收方式发生改变，如发生着水工况。因此，分析着水和着陆冲击响应特点及影响因素，找出两者之间冲击响应的兼容性具有重要的意义。利用有限元方法来模拟和研究返回舱着水与着陆冲击响应问题在国内已有多年的历程，但对返回舱着水与着陆冲击兼容性展开研究，目前在国内外还未见到相关公开文献。本文利用已有的神舟飞船着陆模型，采用试验设计的方法，对于影响返回舱着陆冲击的五个影响因素进行了显著性分析，结果表明：对于着陆工况，垂直速度及水平速度为高度显著因素；俯仰角、侧倾角均为显著影响因素同时，通过对垂直着陆速度和水平着陆速度等进行单因子及双因子冲击特性分析，得到速度响应曲面及拟合面。上述结果及张虚怀等人对着水冲击响应影响因素的研究成果一并为后续着水与着陆工况冲击兼容性分析提供了参考。本文从相同工况、等效工况、相同冲击伤害风险等方面分析着水与着陆冲击兼容性。结果表明，在相同工况下，着陆速度响应面整体位于着水速度响应面上方，着陆冲击所产生的加速度值较大，着水冲击更有利于乘员保护；在等效工况下，着水拟合面与着陆拟合面相交，着水拟合面将着陆拟合面分割成上下两个部分。将着水与着土拟合曲面的交线投影到“等效垂直速度—水平速度”平面上，该投影将“等效垂直速度—水平速度”平面分成A、B两个区域。A区域内各工况点所产生的着水冲击加速度峰值较大，B区域内各工况点所产生的着陆冲击加速度峰值较大；在相同的冲击伤害风险下，着水约束曲线始终位于着陆约束曲线的上方，着水回收满足相同冲击风险耐限要求的“垂直速度—水平速度”组合可能性更多。此外，本文结合着水与着陆工况冲击兼容性分析结果，得到不同工况下着水与着陆冲击约束曲线，绘成约束曲线图。同时对回收方式及舱体着陆姿态的选取依据进行初步研究，并尝试给出了返回舱回收冲击风险的评估方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 返回舱着陆冲击研究
• 1.2.1 载人飞船返回过程及缓冲系统
• 1.2.2 我国载人飞船着陆缓冲
• 1.2.3 返回舱着陆缓冲系统的研究方法
• 1.3 返回舱着水冲击研究
• 1.3.1 着水冲击特性的研究历程
• 1.3.2 着水冲击特性的研究方法
• 1.4 课题概述
• 1.4.1 课题研究内容
• 1.4.2 课题研究重点与难点
• 1.4.3 课题研究方法
• 第2章 返回舱着陆工况冲击特性分析
• 2.1 返回舱着陆冲击影响因素正交试验设计与分析
• 2.1.1 飞船返回舱着陆计算模型
• 2.1.2 第一组试验设计
• 2.1.3 第二组试验设计
• 2.1.4 第三组试验设计
• 2.2 有水平速度时返回舱着陆正负向测点冲击响应特点分析
• 2.3 返回舱着陆影响因素的冲击特性分析
• 2.3.1 着陆工况单因子冲击响应特点
• 2.3.2 着陆工况速度响应面及拟合曲面
• 2.4 本章小结
• 第3章 返回舱着水与着陆工况冲击兼容性分析
• 3.1 同工况下着水与着陆速度响应面比较
• 3.2 等效工况下着水与着陆冲击兼容性分析
• 3.3 不同冲击风险下着水与着陆冲击兼容性分析
• 3.3.1 不同冲击风险对应着陆工况分析
• 3.3.2 不同冲击风险对应着水工况分析
• 3.3.3 不同伤害风险下着水与着陆冲击兼容性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 回收方式及舱体着陆姿态影响研究
• 4.1 返回舱回收方式的影响与选取依据
• 4.2 有水平速度时着陆方向与人体方向对应关系
• 4.3 舱体俯仰角与人体方向对应关系
• 4.3.1 舱体俯仰角与人体方向角对 Gx 向冲击加速度影响分析
• 4.3.2 舱体俯仰角与人体方向角对 Gy 向冲击加速度影响分析
• 4.3.3 舱体俯仰角与人体方向角对 Gz 向冲击加速度影响分析
• 4.3.4 Gz、Gx 向加速度随俯仰角、人体方向角变化规律分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 正交表与相关数据处理计算
• 附录 B 模拟试验数据
• 附录 C 着水冲击验证试验数据
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果