CN108466698B - 抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，包括遥控器、定形薄板、控制机构和扰流板；所述定形薄板上加工有通孔，所述通孔内设置有扰流板，并且所述扰流板的外径同所述通孔内径间隙配合；所述扰流板通过纵向轴安装于所述定形薄板的通孔内，并且所述纵向轴端部传动连接有控制机构；所述控制机构包括供电部分、接收部分和执行部分。本发明所述的抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，具体为通过改变扰流板开度使从伞衣冲出的气流的流量及流速发生改变，从而达到消除降落伞的自旋的目的，还能够达到对降落伞的下落速度和方向进行控制。

Description

抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器设计技术领域，一种抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法。

背景技术

目前，降落伞作为一种减速装备在人员和物资投放，航天器着陆和回收领域发挥着不可替代的作用。

在航天任务中无论是探测器回收着陆还是航天飞船返回过程中对降落伞的可靠性、稳定性以及落点的精度有着相当高的要求。

而在实际应用中，降落伞在下降过程中会存在多种非稳态的运动特征，如由于伞衣和伞绳的弹性与压力的耦合作用会使伞衣发生“呼吸”现象，降落伞摇摆和旋转相耦合引起的“锥摆”运动等，这些都会对降落伞的可靠性和稳定性产生不利影响。

现有的利用开孔控制降落伞下落方向的技术虽然能在一定程度上对降落伞的下落方向进行控制，但无法做到在降落伞下落过程中消除降落伞的自旋，也无法控制降落伞的偏航角，因此降落伞下落过程中难以对降落伞的下落方向和速度进行更加精确有效的控制，难以保证落点的精度。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，用于解决现有的开孔控制降落伞下落方向的技术，虽然能在一定程度上对降落伞的下落方向进行控制，但无法做到在降落伞下落过程中消除降落伞的自旋，也无法控制降落伞的偏航角的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种抑制降落伞自旋的控制装置，包括遥控器、定形薄板、控制机构和扰流板；所述定形薄板上加工有通孔，所述通孔内设置有扰流板，并且所述扰流板的外径同所述通孔内径间隙配合；所述扰流板通过纵向轴安装于所述定形薄板的通孔内，并且所述纵向轴端部传动连接有控制机构；所述控制机构包括供电部分、接收部分和执行部分，所述供电部分为锂电池，所述接收部分为接收机，所述执行部分为舵机；所述接收机能够接收所述遥控器的控制信号，控制舵机驱动纵向轴及扰流板转动。

作为优选所述的定形薄板为碳纤维板。

一种降落伞，包括伞衣和设置于所述伞衣上的控制装置，所述控制装置为上述的抑制降落伞自旋的控制装置；所述伞衣上加工有四个圆形孔洞，并且四个所述圆形孔洞以伞衣中心为中心对称分布在四个方向上，使四个所述圆形孔洞在圆周方向上规则设置，所述控制装置中的定形薄板同所述圆形孔洞的内沿连接固定。

当所述控制装置中的扰流板转角为0°时，圆形孔洞被覆盖，相当于伞衣未开孔的状态；当所述控制装置中的扰流板转角绝对值到达90°时，圆形孔洞完全敞开，降落伞的伞衣会受到垂直于孔洞、方向朝向降落伞中轴的力；当所述控制装置中的扰流板转角为锐角时，伞衣会受到一个不通过降落伞中轴的力，此力还会对降落伞产生一个转矩，正负锐角产生的转矩方向相反，大小相同、正负相异的锐角会产生大小相同、方向相反的转矩。

一种上述降落伞的控制方法，包括以下步骤：当需要抑制降落伞自转时，驱动四块扰流板转动相同的角度，处于相对位置的两块扰流板处会产生大小相等、方向相反的作用力，这对作用力仅会对降落伞中轴产生转矩而不会引起其它状态的改变；另外两块扰流板也仅会对降落伞产生大小相等、方向相同的转矩；若降落伞发生自转，则控制这两组扰流板产生与降落伞自转方向相反的转矩，抑制降落伞的自旋。

当需要控制降落伞下落方向时，驱动处于相对位置的两块扰流板转角大小相等而正负相异，从这两处孔洞中流出的气流对降落伞中轴产生的反作用力力矩，会因大小相等方向相反而相互抵消，因此只会对伞衣有两个大小相等、方向相同的反作用力，以此推动降落伞朝向某一方向运动而不引起降落伞自旋；把处于相对位置的两块扰流板划分为一组，将两组扰流板所产生的力进行耦合可使降落伞朝任意方向进行定向移动；

当需要改变降落伞下落速度时，通过控制扰流板绕纵向轴的转角，改变扰流板覆盖孔洞的面积，以改变从孔洞流出气体的流量，以此实现达到改变降落伞下落速度；为只改变降落伞下落速度而不引起其他状态参数的改变，处于相对位置的两块扰流板应当具有相同转角，处于相邻位置的两块扰流板转角应大小相等而正负相异。

与现有技术相比较，本发明所述的抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，通过改变扰流板开度使从伞衣冲出的气流的流量及流速发生改变，从而达到消除降落伞的自旋的目的，还能够达到对降落伞的下落速度和方向进行控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明带控制装置的降落伞主(侧)视图。

图2是本发明带控制装置的降落伞俯视图。

图3是本发明控制装置简图。

图4是实施例1中绕伞轴旋转的力矩与扰流板转动角度关系示图。

图5是实施例1中降落伞阻力值随转动角度的变化规律示图。

其中：1、接收机，2、舵机，3、锂电池，4、扰流板，5、定形薄板。

具体实施方式

如图3所示，一种抑制降落伞自旋的控制装置，包括遥控器、定形薄板5、控制机构和扰流板4；所述定形薄板5上加工有通孔，所述通孔内设置有扰流板4，并且所述扰流板4的外径同所述通孔内径间隙配合；所述扰流板4通过纵向轴安装于所述定形薄板5的通孔内，并且所述纵向轴端部传动连接有控制机构；所述控制机构包括供电部分、接收部分和执行部分，所述供电部分为锂电池3，所述接收部分为接收机1，所述执行部分为舵机2；所述接收机1能够接收所述遥控器的控制信号，控制舵机2驱动纵向轴及扰流板4转动。所述的定形薄板5为碳纤维板。

选用合适容量的锂电池3为整个控制机构提供足够的电压，依靠接收机1接收来自地面控制站发出的控制指令，再利用舵机2对收到的控制指令作出最终反应，控制扰流板4绕纵向轴的转角大小以达到控制降落伞飞行状态的目的。

如图1至图3所示，一种降落伞，包括伞衣和设置于所述伞衣上的控制装置，所述控制装置为上述抑制降落伞自旋的控制装置；所述伞衣上加工有四个圆形孔洞，并且四个所述圆形孔洞以伞衣中心为中心对称分布在四个方向上，使四个所述圆形孔洞在圆周方向上规则设置，所述控制装置中的定形薄板5同所述圆形孔洞的内沿连接固定。

分别用四块定形薄板5对伞衣上的四个圆形孔洞进行定形，定形薄板5上对应伞衣孔洞的位置开有相同尺寸的圆形孔洞，保证伞衣上的圆形孔洞不会因为伞衣局部塌陷而变形，影响到对降落伞下落姿态的控制；每块定形薄板5上都有一根横跨孔洞的纵向轴，轴上装有尺寸略小于孔洞的轻质圆形扰流板，扰流板能够绕纵向轴转动，转动范围为-90°～+90°。

当所述控制装置中的扰流板4转角为0°时，圆形孔洞被覆盖，相当于伞衣未开孔的状态；当所述控制装置中的扰流板4转角绝对值到达90°时，圆形孔洞完全敞开，降落伞的伞衣会受到垂直于孔洞、方向朝向降落伞中轴的力；当所述控制装置中的扰流板4转角为锐角时，伞衣会受到一个不通过降落伞中轴的力，此力还会对降落伞产生一个转矩，正负锐角产生的转矩方向相反，大小相同、正负相异的锐角会产生大小相同、方向相反的转矩。

本发明所述的抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，主要依靠在伞衣上布设扰流板的方式来对降落伞的飞行状态进行控制，抑制其下落过程中的自旋这一不利影响，并且还能够对其下落的速度和方向进行有效控制，保证降落伞下落过程中的稳定性，提高其落点精度。

如图1至图3所示，一种上述降落伞的控制方法，包括以下步骤：

当需要抑制降落伞自转时，驱动四块扰流板4转动相同的角度，处于相对位置的两块扰流板4处会产生大小相等、方向相反的作用力，这对作用力仅会对降落伞中轴产生转矩而不会引起其它状态的改变；另外两块扰流板4也仅会对降落伞产生大小相等、方向相同的转矩；若降落伞发生自转，则控制这两组扰流板产生与降落伞自转方向相反的转矩，抑制降落伞的自旋；

当需要控制降落伞下落方向时，驱动处于相对位置的两块扰流板4转角大小相等而正负相异，从这两处孔洞中流出的气流对降落伞中轴产生的反作用力力矩，会因大小相等方向相反而相互抵消，因此只会对伞衣有两个大小相等、方向相同的反作用力，以此推动降落伞朝向某一方向运动而不引起降落伞自旋；把处于相对位置的两块扰流板4划分为一组，将两组扰流板所产生的力进行耦合可使降落伞朝任意方向进行定向移动；

当需要改变降落伞下落速度时，通过控制扰流板4绕纵向轴的转角，改变扰流板覆盖孔洞的面积，以改变从孔洞流出气体的流量，以此实现达到改变降落伞下落速度；为只改变降落伞下落速度而不引起其他状态参数的改变，处于相对位置的两块扰流板应当具有相同转角(包括角度大小和正负)，处于相邻位置的两块扰流板4转角应大小相等而正负相异。

本发明所述的抑制降落伞自旋的控制装置、降落伞及控制方法，定形薄板5上连接有尺寸略小于孔洞的圆形轻质扰流板及与扰流板4相连的控制机构，依靠控制机构接收遥控器1发出的信号对扰流板4的开度进行控制，利用因各个扰流板4绕纵向轴的转角不同而导致的各个孔洞中的气流变化，对降落伞产生不同的力和力矩，以此抑制降落伞下落过程中的自旋状况，并且还能利用本装置对降落伞的下落速度和下落方向进行控制。

依靠定形薄板(如碳纤维板等)对降落伞所开孔洞周围的伞衣定形；利用遥控器1发出控制信号，控制机构中的接收机接收遥控信号，可按照控制者的意愿对降落伞的下落姿态进行实时的调整；依靠控制机构中的舵机2对扰流板4绕纵向轴的开度进行控制，对各个扰流板由于开度各异产生的不同效果进行耦合，达到抑制降落伞下落过程中的自旋的目的，还可以达到控制降落伞下落速度和下落方向这一效果。

实施例1，对下述半球形降落伞进行流场分析，具体参数如下表：半球形降落伞具体参数

先作出以下合理假设：

1、透气性假设：由于实验中伞衣的透气性极低，对数值分析过程带来影响极小，因此建模过程中不考虑伞衣的透气性。

2、伞衣形状假设：降落伞伞绳以及伞幅面缝合处会对降落伞的形状产生影响，但对于整体的降落伞系统流场影响不大，所以可认为稳定下降过程中的降落伞形状为对称的半球形，在下落过程中形状无变化。伞衣取无厚度的薄膜材料。

3、流场定常假设：在计算中认为稳定下降段的流场为定常状态。

4、“0°”攻角假设：实际下降过程中降落伞由于阵风等干扰因素影响，其稳定下降段的迎角在小范围内变化，此处在计算过程中忽略了迎角的变化，认为降落伞处于零度攻角状态。

按照设定的求解参数对设有扰流板的半球形降落伞的流场进行数值求解，对降落伞伞体和扰流板设置力矩监视器，最终得到绕伞轴旋转的力矩与扰流板转动角度关系如图4所示，降落伞阻力值随转动角度的变化规律，如图5所示。

上述数值模拟表明：在伞衣侧面上设置扰流板后，转动力矩先随扰流板转动角度增大而增大，而后随转角增大逐渐变小，转动力矩最大值出现在40°～50°之间，当扰流板转角为0°和90°时(即分别处于水平和竖直状态时)，气动力矩为零；而降落伞的阻力值会随着扰流板转动角度增加而减小。

这一结果与理论分析相符，为本发明提供了更可靠的数据保障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种降落伞的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

当需要抑制降落伞自转时，驱动四块扰流板转动相同的角度，处于相对位置的两块扰流板处会产生大小相等、方向相反的作用力，这对作用力仅会对降落伞中轴产生转矩而不会引起其它状态的改变；另外两块扰流板也仅会对降落伞产生大小相等、方向相同的转矩；

若降落伞发生自转，则控制这两组扰流板产生与降落伞自转方向相反的转矩，抑制降落伞的自旋；

当需要控制降落伞下落方向时，驱动处于相对位置的两块扰流板转角大小相等而正负相异，从这两处孔洞中流出的气流对降落伞中轴产生的反作用力力矩，会因大小相等方向相反而相互抵消，因此只会对伞衣有两个大小相等、方向相同的反作用力，以此推动降落伞朝向某一方向运动而不引起降落伞自旋；

把处于相对位置的两块扰流板划分为一组，将两组扰流板所产生的力进行耦合可使降落伞朝任意方向进行定向移动；

当需要改变降落伞下落速度时，通过控制扰流板绕纵向轴的转角，改变扰流板覆盖孔洞的面积，以改变从孔洞流出气体的流量，以此实现达到改变降落伞下落速度；

为只改变降落伞下落速度而不引起其他状态参数的改变，处于相对位置的两块扰流板应当具有相同转角，处于相邻位置的两块扰流板转角应大小相等而正负相异；

所述降落伞包括伞衣和设置于所述伞衣上的控制装置，所述控制装置为抑制降落伞自旋的控制装置；

所述伞衣上加工有四个圆形孔洞，并且四个所述圆形孔洞以伞衣中心为中心对称分布在四个方向上，使四个所述圆形孔洞在圆周方向上规则设置，所述控制装置中的定形薄板同所述圆形孔洞的内沿连接固定；所述定形薄板上加工有通孔，所述通孔内设置有扰流板，并且所述扰流板的外径同所述通孔内径间隙配合；

当所述控制装置中的扰流板转角为0°时，圆形孔洞被覆盖，相当于伞衣未开孔的状态；

当所述控制装置中的扰流板转角绝对值到达90°时，圆形孔洞完全敞开，降落伞的伞衣会受到垂直于孔洞、方向朝向降落伞中轴的力；

当所述控制装置中的扰流板转角为锐角时，伞衣会受到一个不通过降落伞中轴的力，此力还会对降落伞产生一个转矩，正负锐角产生的转矩方向相反，大小相同、正负相异的锐角会产生大小相同、方向相反的转矩。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述控制装置包括遥控器、定形薄板、控制机构和扰流板；

所述扰流板通过纵向轴安装于所述定形薄板的通孔内，并且所述纵向轴端部传动连接有控制机构；

所述控制机构包括供电部分、接收部分和执行部分，所述供电部分为锂电池，所述接收部分为接收机，所述执行部分为舵机；

所述接收机能够接收所述遥控器的控制信号，控制舵机驱动纵向轴及扰流板转动。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：

所述的定形薄板为碳纤维板。

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