火箭助推器回收系统初步设计及仿真研究

论文摘要

对火箭助推器进行回收可以验证和评估助推器的设计、对其进行重复利用以及保护地面建筑和人员的安全等。基于火箭助推器回收的重要意义,本文对火箭助推器回收系统设计与分析中的一些问题进行了研究。在选择和设计降落伞时,充分考虑了火箭助推器的特点和性能,给出了回收系统的初步设计方法,建立了较为详细的仿真模型,并对整个回收过程进行了仿真研究。论文总结了常规伞和翼伞各自的设计准则,完成了某型火箭助推器回收的常规伞和翼伞两种方案的初步设计,并用简单模型加以验证,说明了设计方法的实用性。根据回收系统组成和工作过程的特点,采用分层建模的思想,从底层的回收物、降落伞、伞包、吊带约束基元模型开始构建,再组合成拉直、充气、全张满阶段动力学模型,最终形成常规伞的回收系统仿真模型。对常规伞方案回收系统工作过程进行了仿真分析,给出了结果数据,对整个设计方案进行了评价。分析了翼伞的质量特性和气动特点,总结了简单的翼伞充气模型,并建立了六自由度的翼伞动力学模型。以常规减速伞工作结束时候的系统状态作为翼伞系统的初始条件,对翼伞的充气过程、滑翔过程以及转弯过程进行了仿真,对仿真的结果进行了分析和讨论。本文总结的两种方案的初步设计方法具有一定的工程实用性,所建立的回收系统动力学模型比较全面、精细,对回收系统的工程设计、参数分析、试验飞行、性能评估等具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 火箭助推器回收系统的研究目的及意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 助推器回收系统发展状况
• 1.2.2 助推器回收系统设计与分析研究状况
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 火箭助推器回收系统初步设计
• 2.1 常规伞回收系统设计
• 2.1.1 简化的设计模型
• 2.1.2 方案设计
• 2.1.3 伞型的选择
• 2.1.4 确定伞的阻力面积
• 2.1.5 收口设计
• 2.1.6 控制时序设计
• 2.1.7 开伞方式的确定
• 2.1.8 伞绳数量的确定
• 2.1.9 伞绳长度的确定
• 2.2 助推器常规伞回收系统初步设计
• 2.3 常规伞回收系统初步设计验证
• 2.4 翼伞回收系统设计
• 2.4.1 翼伞概述
• 2.4.2 简化的翼型设计模型
• 2.4.3 翼型的选择
• 2.4.4 展弦比的确定
• 2.4.5 翼载的确定
• 2.4.6 冲压翼伞的升阻特性分析
• 2.4.7 翼伞尺寸的确定
• 2.4.8 攻角和安装角分析
• 2.4.9 伞绳设计
• 2.4.10 收口技术
• 2.4.11 开伞动态控制
• 2.5 助推器翼伞回收系统初步设计及验证
• 2.6 小结
• 第三章 常规伞方案回收过程动力学建模及仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 刚体动力学模型
• 3.2.1 刚体的动力学方程
• 3.2.2 刚体的运动学方程
• 3.3 降落伞动力学模型
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 坐标系定义
• 3.3.3 附加质量
• 3.3.4 充气过程分析
• 3.4 伞包动力学模型
• 3.5 吊带约束模型
• 3.5.1 吊带的连接方式
• 3.5.2 充气和全张满状态的约束模型（约束模型I）
• 3.5.3 拉直约束模型（约束模型II）
• 3.6 回收过程动力学建模
• 3.6.1 坐标系定义
• 3.6.2 助推器动力学模型
• 3.6.3 降落伞相关的动力学模型
• 3.6.4 约束模型
• 3.6.5 各个阶段的仿真模型
• 3.7 助推器常规伞回收系统动力学仿真
• 3.7.1 仿真条件
• 3.7.2 仿真结果与分析
• 3.8 小结
• 第四章 翼伞方案回收过程动力学建模及仿真分析
• 4.1 翼伞动力学模型
• 4.1.1 坐标系定义
• 4.1.2 翼伞的几何描述
• 4.1.3 翼伞的附加质量
• 4.1.4 翼伞系统质量特性
• 4.1.5 翼伞气动力和力矩估算
• 4.1.6 翼伞系统动力学方程
• 4.2 翼伞充气模型及仿真
• 4.2.1 翼伞充气模型
• 4.2.2 翼伞充气仿真分析
• 4.3 翼伞系统的动力学仿真
• 4.3.1 翼伞系统滑翔性能仿真分析
• 4.3.2 翼伞系统转弯性能仿真分析
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果