系留气球平台动力学仿真研究

第卷第12期计算机仿真2012年12月文章编号:1006-9348(2012)12-0066-05系留气球平台动力学仿真研究杨方,张青斌,丰志伟(国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073)摘要:研究系留气球平台设计问题,随着人类探索太空技术的不断进步,空间任务也变的越来越复杂。以空间绳网为柔性部件是最近发展起来的空间概念,在空间任务中发挥越来越大的作用,而柔性部件研究是当今世界学术研究的重点技术,需要通过大量的试验分析绳网的性能。根据绳网地面试验的需要,建立了系留绳气球平台动力学模型,分析了不同构建方式下的系留气球平台的稳定性,同时分析地面环境下风力干扰作用对系留气球平台稳定性的影响,提出了构建稳定系留气球平台的方法,并将仿真结果与地面试验结果进行对比,结果一致关键词:系留气球;仿真;空气动力;地面实验中图分类号:0313文献标识码:BDynamic Model and Analysis of Tethered Balloon SystemYANG Fang, ZHANG Qing-bin, FENG Zhi-weiCollege of Aerospace and Material Engineering, National Univ. of Defense TechnologyChangsha Hunan 410073, China)ABSTRACT: With the advance of explorating of space technology, space missions become more complex. Repre-sentatives of space webs technology as a flexible rope course is recently developed in the parts of the space concept inthe near future, and plays an increasing role in space missions. The academic research of flexible parts in the worldis a difficult problem that requires a lot of ground tests to analyse the performance of rope. Based on the rope test, weet up a dynamic model of the tethered balloon platform, analysed the stability of the different modes in different tethered balloon platform and the effects on the stability of the platform of the wind power in the ground environment, pro-posed the advise of building a tethered balloon platform approach, and tested the platform with the ground rope emission. The results are no differenceKEYWORDS: Tethered Balloon; Simulation; Aerodynamics; Ground Experiments等参数对高空系留气球设计的影响得出风场对系留气球系1引言统的影响最大。史献林,余莉施红等利用有限元法建立随着空间技术的发展,对以空间绳网为代表的柔性在轨绳索模型,分析了系留气球的绳孔过程。服务技术的需求越来越迫切。相对刚性结构而言,柔性部件对系留气球的研究主要就是要建立一个稳定的空间绳结构小,质量轻,设计灵活性高,在太空任务中能够更好的完网地面试验的平台。本文利用集中质量弹簧模型建立了系成对空间非合作目标的捕获。为了研究绳网在太空的展开留绳的仿真模型;主要考虑气动力的影响将气球简化为刚抓捕的动力学过程,分析绳网空间抓捕性能,同时降低成本,体建立气球动力学模型;对比不同构建模型,同时分析在自需要进行合理的地面试验。本文的目的就是在地面环境下然风力作用下系留气球系统的稳定性提出构建系留气球平建立一个稳定的绳网地面发射试验平台。台的方法,为绳网抛射试验提供良好的试验基础。A. J. Euler等'对分析了高空系留气球的可靠性,研究了在20km高空布置系留气球的可行性;1996年,S.S.Bade.2系留气球动力学模型sha等分析了阻力系数下沉气流、系留绳长度和大气环境2.1试验模型绳网发V山中国煤化工气球、三条固定绳索和有效载收稿日期:2012CNMHGE绳索的一段连接为悬置在空中热回定在地面上,有效载荷悬挂在气球的下方。2.2.1绳索的阻尼弹簧模型有限段法是分析绳索动力学问题的一个常用的方法,其主要途径是采用离散化的方法将绳索离散为若干有限段,然后将每个绳段的质量集中在两个端点,即绳段的结点处。在热气球离散化模型中,如果考虑绳索的弹性可伸长的特点则可假A设绳段结点之间由“弹簧”相连,而且该“弹簧”只能承受张固定绳索力,不能承受压力同时考虑到绳索的阻尼效应,故可以将绳段处理为质量集中在绳段两端点的集中质量阻尼弹簧,这就是所谓的“集中质量弹簧模型”。如图3所示,在模型中将第n个绳段处理为质量集中在端点的“弹簧阻尼”元件,并将其长度记为ln,弹性系数记为kn阻尼系数记为Cn。图1气球系留绳试验示意图绳段如图1,定义坐标系为:将气球在地面的投影点O设置为原点,A、BC分别为固定绳索在地面的固定点,设定OA为X轴,垂直地面向上为Z轴,Y轴由右手坐标系确定。如图2所示。定义跨度为地面固定点A、B、C到O点的距离图3绳段的阻尼弹簧模型如图3所示,建立第n个绳段单元的ψ=0连体坐标系ox,y2,该坐标系的三个坐标轴分别对应绳索曲线的主法向图2绳索地面固定方式示意图量、次法向量和切向量。连体坐标系与惯性坐标0xy24之间可以由三个欧拉角dn、6,、。来确定其转换关系。惯性坐2.2绳索动力学模型标系可以依次经过三次旋转与连体坐标系重合。首先绕坐基于有限元方法将柔性大变形的系留绳离散成一系标轴o转过中角,从x到达OMz的位置;然后绕列首尾相连的绳段,各绳段采用集中质量弹簧模型进行模节线ON转过.角,从Oy到达OMy2的位置;最后绕拟。系留气球简化为一个正球体,主要考虑重力,气动力以∞轴转过ψ。角,从oNy2,到达0xy。绳段连体坐标系及系留绳牵引力影响的刚体模型。,yn2与惯性坐标系axay4=的转换矩阵为cos , cosψ- sin cos 0, sinψ。 sin , cosψn+cosφ cos 6. sinψnsin6nsinψnB,=-cos sin v,-sin p, cos 8, cos v, -sin p, sin v,+ cos o, cos os y,n sin 8, os y.sin中nsin6n中sin由于绳索极度柔软,不能承受法向的弯矩和剪切力仅和即第n个绳段的张力由下式给出能承受切向的张力。于是可以忽略欧拉角ψn,则两坐标系间En≤0的变换矩阵可以简化为B. tsin d0在上式中pn(n)是第n段伞绳的线性张力函数,B。为B.--ndc0. cos cos 8.smn.(2)绳段的张力阻尼系数,应变n由下式得到o, sin 6o, sin e。cosb由于很难得到绳索准确的动态应力一应变曲线,在工程H中国煤化工上通常利用绳索的静态应力一应变曲线,采用分段线性化的在上后的长度,即CNMH方法,将绳段的本构关系简化为线弹性与线性速度阻尼之+(y,-y)+(xn-n-1)2(5)C(8)上式中,F和F,分别表示绳段n法向力和切向力绳段p为周围流体的密度,d为绳索圆截面的直径,CN和C分别是法向力系数和切向力系数,根据经验公式得到。2.2.3系统动力学方程系留气球假设为球体,质量集中在球心。系留气球的受力分析如图6所示,主要有浮力F、重力G地面风场作用力F.和系留绳拉力F1,上述外力可以表示为图6。Fr图4绳段坐标系对上式微分可以得到绳段的应变微分En=[(x-xn-1)(xn-xn1)+(y。-y-1)(yn-yn1+(z,,)(2,-Z,)J/(LAOL,)(6)2.2.2绳索气动力模型图6系留气球受力分析图绳索所受到的外力包括重力、流体阻力等。本节主要讨论在流体中运动的绳段单元所受到的流体作用力。流体作F,=(p.-Pair)Vsg用力又可以细分为附加质量力( Added Mass Force)、法向阻G=G+G, =(p.,+ m,)g力( Normal Drag)、切向阻力( Tangential Drag)等。式中p表示标准状态空气密度pm=1.209kg/m3,V为气球的体积,g为重力加速度,取|g|=9.8m/s32。p4表示氮气密度,m,表示气球净质量。地面风场作用力为F=-A(10)上式中C4为气动力系数、A为气球的截面积、a为当地节点风速系留气球的动力学方程可以写为F图5流体中运动的绳段如图5所示,采用集中质量法建立绳段n的气动力模F. +F+F型,并假设绳段为长圆柱体。两个端点分别记为i和j,质心为G。绳段轴向的单位向量记为r,在来风方向与绳段面内与T垂直的单位向量记为n。质心G相对于流体的速度v3仿真分析可以表示为根据已经建立的绳网发射平台模型,模拟在不同条件下发射平台的稳定性v=2(V+y)-V(7)3.1主要参数上式中V、V分别为节点i和节点j的速度,V为绳索周围根据绳网抛射试验的具体要求,选取直径为7.8m的热的流体速度。气球将热气球假设为正圆球.丰要考虑其气动力和重力影作用在绳段n上的气动力表示为响。地面上中国煤化工点O,位于正三角F。=F+F形中心。主CNMHG表1系统参数从图7~9中可以看出,在初始时刻,固定绳索处于松弛氦气密度0.1347kg/m3状态。在绳索绷紧过程中,气球位置变化比较剧烈。在20s热气球净重后,气球位置开始震荡,最终趋于稳定。地面空气密度1.29kg/m3氮气重量33.47kg绳索质量2kg/100m热气球直径7.8--+--风压系数0.968气球高度在仿真过程中,主要仿真发射平台不同构建方式下在不同风力情况下的稳定性。系留气球平台的第一种建构方式是气球高度为90m,绳索固定点离O。点的距离为150m;第种是气球高度为90m,绳索固定点离O点的距离为100m;第三种是气球高度为90m,绳索固定点离O点的距离为50m地面风速选择4级(风速6.7m/s)和六级(风速12.8m图8Y方向位移变化示意图s)两种情况进行分析。主要可变参数如表2。其中,来风方向定义为,在O-XY面内风向与X轴的夹角。表2可变参数表项目范围气球高度M体热气球浮力200~1700N跨度50m.100m,150m风速6.7m/s,12.8m/s来风方向0~120°3.2仿真结果仿真分析中,主要观察对象为气球,通过观察气球的稳定性就可以判断整个发射平台的稳定性。在仿真模型中,H图9Z方向位移变化示意图点的位移变化情况就能够完全反应系留气球平台的稳定为了研究地面风场对系留气球平台稳定性的影响,本节情况。分析系留气球平台在来风角度分别为0和90°的四级风场气球高度90m,绳索固定点离原点0距离150m。在四下的稳定性,仿真结果见表3和表4。从表中可以看出,四级级风作用下仿真结果。其中,来风方向为90°。风场下系留气球平台的稳定性总体较好。表30°风场作用下气球位移情况平台稳定性平台平台三D,漂移点/mAlAnNA围3-416-1833-36D,漂移点/m范围/m0D2漂移点/91.6范围/m91.1下系面78-81主要分析在极限情况下系留气球平台的稳定性。如:北京年平均风速在18-3m/s之间。风速受地理环境的影响图7X方向位移变化示意图较大。城区中国煤化工霞云岭为1.8ms;城区为2.CNMHG延庆县、古北口都为3m/s;海拔100mn以上的佛爷顶年平均风速最大为好。随着系留绳底端跨度增大,发射平台的稳定性越好。5.7m/s。全年以春季风速最大,冬季次之,夏季风速最小。以北京气象台为例:4月份平均风速3.4m/s,8月份平均风参考文献:速1.5m/s,相差一倍以上唯有延庆、昌平县冬季风速大于春1] A J Euler, SSBadesha, L D Schroeder. Very high altitude季风速。其平均风速都小于四级风。hered balloon feasibility study[ R]. AIAA295216122CP, 1995表490°风场作用下气球位移情况表[2]SS Badesha, A J Euler, L D Schroeder. Very high altitude teth-ered balloon parametric sensitivity study R J平台稳定性平台一平台平台三AIAA29620579,1996漂移点/m-0.05[3] Paul Williams. Optimal Wind Power Extraction with a Tethered范围/m0.3-0.213~-15Kie[R].AIAA2006-6193,2006D,漂移点/m[4]史献林,余莉,施红.系留气球升空过程的动态模拟[冂]·航空范围/m1.5-2.59~1l学报,2009,30(14)D2漂移点/m[5]张晶敏,陆宇平.平流层气球轨迹控制系统平衡点估算研究[J].航天控制,2007,25(3):428范围/m92.5~9383.5~85.574~78[6 X Provot. Def ormat ion con st raint s in a mass spring model to de-进行了系留气球平台的地面试验,气球漂移范围在仿真scribe rigid cloth behavior[C]. Proceedin gs of Graphics Inter-结果范围以内,仿真结果与试验一致。face,,1995,95:147-154[7 T Takagi, T Shimizu. Validity and layout of"NaLA": a net con小结figuration and loading analysis system[ J]. Fisheries Research本文主要是通过建立系留气球系统的仿真模型,分析了2004,66(2/3):235-243.在不同情况下绳网发射平台的稳定性[8]周雨青叶兆宁,吴宗汉.球类运动中空气阻力的计算和分析1)系留气球平台的稳定性比较好,在风力小于4级得情[冂].物理与工程,202,12(1):55-57况下可以用于绳网抛射试验。[作者简介]2)系留气球平台在风力小于4级,热气球静载荷在杨方(1984-),男(汉族),山西省长治市人,硕1500N以上时,平面内位移在10m范围以内。垂直方向稳定性相对比较稳定,其稳定性主要由热气球的静载荷和绳索强士研究生,主要研究领域为动力学与控制。张青斌(1975-),男(汉族),山西省大同市人,副度决定;教授,硕士研究生导师,主要研究领域为动力学与3)不同的来风方向对系留气球平台的稳定性有一定影控制。,但影响不大。随着气球净载荷的增加,气球的稳定性越丰志伟(1984-),男(汉族),山西省临汾市人,博士研究生,主要研究领域为动力学与控制。(上接第52页)[2]许菁,雷定猷,邓煜阳.基于区位理论的物流配送中心车辆调调度的效率与传统算法基本一致。通过对表2中的数据进度优化算法[J.铁道货运,2007-9行整理分析能够得知,假设军用车辆运输路径阻塞,那么利3]郎茂祥,胡思继车辆路径问题的禁忌搜索算法研究[J].管用本文算法进行车辆调度的效率高于传统算法。理工程学报,2004-1[4]李军,郭强.车辆调度问题的改进表上作业法[冂].西南交通5结束语大学学报,2000-5本文提出了一种基于蚁群信息反馈算法的救灾物资军5]宋维堂张淑梅.车辆调度优化模型仿真研究[冂].计算机仿真,201-9:346-349用车辆调度方法。计算路段阻塞系数,并将其反馈到调度端,利用蚁群极值方法选取最优路径。从而实现救灾物资军[作者简介]用车辆合理调度。实验证明,这种算法提高了军用车辆调度李冬梅(1977-),女,(汉族),山东梁山人,博士,的效率。工程师,主要研究方向:后勤装备建设。严代彪(1973-),男(汉族)重庆梁平人,博士,工参考文献白化建设。[1]李宁陈彬徐凯一种基于道路网络拓扑改进的格网空间索中国煤化工引算法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2008-5CNMHG