CN117332626A - 一种空投试验中降落伞水平风场反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空投试验中降落伞水平风场反演方法：获取降落伞的运动速度数据，然后对降落伞及回收物的受力进行分析，得到了由降落伞速度和加速度表示的风场大小的理论公式，而加速度可以用降落伞的速度差分表示，从而获取了仅由降落伞速度表示风场计算公式。最后将代入降落伞及回收物的质量，不同高度对应的降落伞速度，计算得到空投试验中不同高度的风场大小和方向，是一种应用于空投试验中降落伞水平风场反演方法。

Description

一种空投试验中降落伞水平风场反演方法
技术领域
本发明涉及一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，属于航空航天气动减速领域。
背景技术
在航空航天领域，降落伞利用气动阻力，可以为航天器或回收物提供有效减速或者稳定的功能。降落伞在正式使用前，为了验证降落伞的功能，需要进行一系列研制试验，其中空投试验是对降落伞功能性能进行全面考核的一种可靠手段。在空投试验中，降落伞由飞行器在合适的高速，速度和姿态下投放，降落伞在大气中实现拉直、充气展开及对回收物的减速，整个过程中降落伞均受到大气运动的干扰，一方面，大气风场将改变降落伞的相对气流速度，从而改变降落伞的所受的气动载荷，对降落伞产生破坏；另一方面，大气风场将明显的改变降落伞的运动轨迹，对回收物的及时处置造成困难。
目前，在空投试验中获取风场的方式一般有三种，分别为查表法、气象气球探测、雷达测量。其中，查表法是根据当地的经纬度，通过大气标准查询本月的平均风场，这种方法只能获取在大气标准中的经纬度及附近位置的风场，而且只能获取一个月的平均风场，查表数据与实际风场可能有较大差异；气象气球探测是在空投试验前在降落伞工作区域进行气球投放，通过气球获取不同高度的风场数据，该方法需要在空投试验前几小时或试验后几小时投放，避免干扰飞行，但是因为风场受大气温度、天气变化影响很大，一个小时内大气风场也可能发生明显变化。雷达测量可以覆盖很大的高程范围，测量的精度较高，但在降落伞的空投试验场，很难具备雷达测量条件。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，为了解决上述现有方法存在的不足，提供一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，不需要额外的装置进行风速测量，并且测量得到的风速是空投试验当时风场，从而为准确计算降落伞工作过程载荷提供依据。
本发明解决技术的方案是：一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，该方法包括如下步骤：
获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp；所述地面惯性坐标系的x轴和z轴位于水平面，y轴垂直于水平面；
将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp分解，得到空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量；
将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量，分别代入风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的离散表达式中，计算得到空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
根据空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
优选地，所述空投试验过程中不同时刻风场速度x轴方向分量的离散计算表达式为：
其中，vp-x,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
νp-x,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-x,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速x轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
优选地，所述空投试验过程中不同时刻风场速度z轴方向分量的离散计算表达式为：
其中，vp-z,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
νp-z,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-z,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速z轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
优选地，所述降落伞水平风场方向为风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的夹角θk：
优选地，所述降落伞的气动阻力、降落伞质量、回收物质量满足：
其中，Dp为降落伞的气动阻力，mp为回收物质量，mc为降落伞质量，ρ为大气密度，A为风飘弹道系数。
优选地，通过卫星导航定位传感器获取降落伞及回收物降落过程中不同时刻的速度数据。
优选地，每秒内至少有30个降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度的离散采样值，并对降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度进行平滑处理。
优选地，上述空投试验中降落伞水平风场反演方法还包括如下步骤：
获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物的高度；
将空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量转换为不同高度对应的风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
根据空投试验过程中不同高度风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明涉及的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法。在降落伞及回收物速度部分，通过GPS获取降落伞及回收物的运动速度，由于GPS测量的速度数据可达到很高的精度，从而可以保证通过速度差分得到的加速度数据的准确性。
(2)、本发明在风场理论公式推导部分，考虑了风场对降落伞及回收物气动力的影响，再对空投试验过程进行受力分析，得到了垂直方向的水平风场的理论和差分表达式，将空投试验过程中不同高度的速度代入表达式中，从而得到了反演的水平风场。
(3)、本发明中采用卫星导航定位传感器测量的速度数据进行计算，可保证较高的计算精度，而且使用速度的差分获取降落伞及回收物的加速度，可避免受回收物姿态的影响。
(4)、本发明不需要额外的装置进行风速测量，并且测量得到的风速是空投试验当时风场，该方法更加简便和通用。
(5)、本发明可用于空投试验降落伞工作过程的风场获取，从而为准确计算降落伞工作过程载荷提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例降落伞工作过程的风场计算方法流程图；
图2为本发明实施例降落伞与回收物示意图；
图3为本发明实施例降落伞工作过程受力分析示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施对本发明进行详细说明。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种空投试验中降落伞水平风场反演方法。以下从空投试验中降落伞速度的获取、风场理论公式推导、计算公式的有限差分离散、不同高度的风场大小计算四个方对本发明进行详细介绍。
如图1所示，该计算方法主要特点为：先获取降落伞及回收物空投试验过程中不同时刻(不同高度)下的速度数据。再对降落伞工作过程进行受力分析，得到由降落伞及回收物气动载荷、降落伞及回收物的重力、惯性力组成的平衡关系，推导得到风场在垂直方向的水平风速的表达式。其次通过有限差分方法，得到不同时刻降落伞风场的离散计算公式，最后将不同时刻降落伞运动速度、代入水平风速的表达式中，可计算得到空投试验过程中不同高度的风场大小和方向，从而实现水平风场反演。
本方法中具体实施步骤如下：
(1)、获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp；所述地面惯性坐标系的x轴和z轴位于水平面，y轴垂直于水平面；
本发明涉及的降落伞及回收物见图2所示，1是工作过程降落伞，2是回收物。
由空投试验中测量设备获取不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp数据，且每秒内至少有30个数据点，并对速度数据进行平滑处理；
所述地面惯性坐标系的x轴和z轴位于水平面，y轴垂直于水平面；
所述测量设备可以是GPS、GLOANSS、BD等卫星导航定位传感器。
(2)、将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp分解，得到空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量；
(3)、将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量，分别代入风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的离散表达式中，计算得到空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
本发明涉及的降落伞及回收物受力分析见图3所示，其中是Dp、Dc分别是降落伞和回收物的气动阻力，mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量，g是重力加速度，v是降落伞及回收物相对于气流的速度，xyzO为地面惯性坐标系，x、z均在水平面内且相互垂直，y在竖直平面内方向向上。xyz满足右手定则。
对降落伞工作过程进行三维受力分析，因降落伞与回收物一起运动，忽略降落伞的摆动，则降落伞与回收物的运动速度相同，均为vp，则降落伞及回收物x轴方向的加速度可以表示为：
且必须满足：
其中,vw表示风速，下标x表示沿地面惯性坐标系x轴的分量,表示降落伞在地面惯性坐标系x轴方向加速度，ρ为大气密度；mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量,Dp、Dc分别是降落伞和回收物的气动阻力，A为风飘弹道系数，A约为0.15。
同理，降落伞及回收物z轴方向的加速度可以表示为：
其中下标z表示沿坐地面惯性坐标系z轴的分量，表示降落伞在z轴方向加速度；
对竖直方向y进行受力分析，则有在竖直方向y降落伞及回收物的加速度可以表示为：
其中下标y表示沿坐标系y轴的分量，表示降落伞在y轴方向加速度；
将公式(1)左右两边分别与(3)相除，可得到x方向风速的表达式为：
将公式(1)左右两边分别与(4)相除，可得到z方向风速的表达式为：
根据向后差分计算格式，得到表达式：
其中tk为第k+1个采样时刻，可以用νp-x,k及νp-x,k对应的开伞时刻表示，下标k表示采样点序号；
忽略竖直方向风场，可得到由降落伞速度表达的x方向水平风场计算公式：
其中，vp-x,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
νp-x,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-x,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速x轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
忽略竖直方向风场，可得到由降落伞速度表达的z方向水平风场计算公式：
其中，vp-z,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
νp-z,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-z,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速z轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
(4)、根据空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
所述降落伞水平风场方向为风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的夹角θk：
(5)、不同高度对应的风场反演
获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物的高度；
将空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量转换为不同高度对应的风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
根据空投试验过程中不同高度风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
综上所述，本发明具备如下优点：
本发明采用降落伞的运动速度来计算工作过程的水平风场大小和方向，不需要采用额外设备。
本发明的计算降落伞运动加速度采用高精度的速度差分形式得到，避免了受到降落伞姿态等的影响。
本发明中对降落伞的气动阻力、大气密度、运动速度与回收物的质量的关系提出限制要求，可保证计算得到的风场数据有较高的精度。
本发明中可以得到水平面两个方向的风速，从而得到合水平风速方向。
本发明的采用降落伞运动速度v数据，且每秒内至少有30个数据点，并对速度数据进行平滑处理，保证后续差分计算精度。
本发明的计算过程考虑了降落伞充气过程的附加质量，提高了降落伞气动力的计算准确性。
本发明的计算过程考虑了不同高度的风场计算，可以得到整个工作过程的风场。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于包括如下步骤：
获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp；所述地面惯性坐标系的x轴和z轴位于水平面，y轴垂直于水平面；
将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度vp分解，得到空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量；
将空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴和z轴方向的分量，分别代入风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的离散表达式中，计算得到空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
根据空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
2.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于所述空投试验过程中不同时刻风场速度x轴方向分量的离散计算表达式为：
其中，vp-x,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
νp-x,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下x轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-x,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速x轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
3.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于所述空投试验过程中不同时刻风场速度z轴方向分量的离散计算表达式为：
其中，vp-z,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
νp-z,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下z轴方向的分量；
vp-y,k为第k个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
νp-y,k+1为第k+1个采样时刻，降落伞及回收物速度在地面惯性坐标系下y轴方向的分量；
vw-z,k为第k个采样时刻对应的风场水平风速z轴方向分量；
tk为第k个采样时刻，tk+1为第k+1个采样时刻；
mp、mc、mf分别是降落伞质量、回收物质量及降落伞的附加质量。
4.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于所述降落伞水平风场方向为风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量的夹角θk：
5.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于所述降落伞的气动阻力、降落伞质量、回收物质量满足：
其中，Dp为降落伞的气动阻力，mp为回收物质量，mc为降落伞质量，ρ为大气密度，A为风飘弹道系数。
6.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于通过卫星导航定位传感器获取降落伞及回收物降落过程中不同时刻的速度数据。
7.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于每秒内至少有30个降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度的离散采样值，并对降落伞及回收物在地面惯性坐标系下的运动速度进行平滑处理。
8.根据权利要求1所述的一种空投试验中降落伞水平风场反演方法，其特征在于还包括如下步骤：
获取空投试验过程中不同时刻降落伞及回收物的高度；
将空投试验过程中不同时刻风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量转换为不同高度对应的风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量；
根据空投试验过程中不同高度风场水平风速x轴方向分量和z轴方向分量，计算得到空投试验过程中降落伞水平风场方向。
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