返回舱垂直着陆过程动力学研究

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1、国防科技大学学报第32卷第6期JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGYVol.32No.62010文章编号:1001-2486(2010)06-0093-07X返回舱垂直着陆过程动力学研究郭鹏,程文科,秦子增(国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073)摘要:在考虑着陆场地面弹塑性特点的情况下,建立了返回舱垂直着陆过程的弹塑性接触模型。数值分析结果表明,返回舱的着陆过程与地面土壤的物理性质有很大关系,在相同的弹性模量下,土壤的极限应力越大,则着陆过载最大值就越大,着陆过程中的能量损失就越小,返回舱的/跳跃0

2、现象越明显。关键词:返回舱;着陆场地面;弹塑性接触;极限应力中图分类号:V47612文献标识码:AResearchonDynamicModeloftheCapsule.sVerticalLandingGUOPeng,CHENGWen-ke,QINZ-izeng(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering,NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073,China)Abstract:Consideringthelandingfield.selastic-plasticcharacter

3、istic,amodelwhichtookthecapsule.sverticallandingasanelastic-plasticcontactproblemwasestablished.Thenumericalsimulationindicatedthatthesoil.sbearingcapabilityplayedanimportantroleduringthecapsule.slanding,withthesameYoung.smodulusandPoisson.sratio:whenthesoil.sbearingcapabilityincreases,

4、thecapsulegetsbiggeracceleration,lessenergylossandhigherbounce.Keywords:capsule;landingfield;elastic-plasticcontact;bearingcapability返回舱着陆是回收系统工作过程的最后一个阶段,在此阶段,返回舱与地面发生接触,垂向速度在短时间内降为0,会产生比较大的冲击过载,这不仅会对航天员的生命安全产生影响,还可能导致返回舱出现/跳跃0现象。建立合适的返回舱着陆过程动力学模型,不仅有利于分析返回舱着陆过程的运动状态,也可以为航天医学工程方面的研究提供借

5、鉴。从20世纪60年代起,国外已经展开了对/阿波罗0[1-3][4][5][6-7]飞船着陆冲击问题的研究,而国内也采用弹性力学、有限元及试验拟合等方法针对/神舟0号载人飞船的着陆过程开展了研究工作,并取得了一定的成果。然而,采用弹性力学方法还不能充分反映出着陆场的塑性特征,而有限元方法则依赖于对结构及材料参数的准确设定,目前在返回舱着陆冲击[8]过程中的应用也比较有限。本文正是在总结已有成果的基础上,充分考虑着陆场地面的力学性质,建立了返回舱着陆过程的弹塑性接触模型。由于返回舱着陆时水平速度的设计值较小,姿态在平衡状态趋于稳定,另一方面考虑到简化问题的需要,文章只研

6、究返回舱垂直着陆过程的动力学模型。1着陆场地面模型[7]载人飞船预定着陆场地面主要由土构成,而天然土体一般是由土颗粒、水和空气三相组成。一般而言,土体在外力条件下发生的体积变化,可以认为是空隙中流体体积变化引起的,而土颗粒体积的变化可以忽略不计。但在冲击载荷作用的情况下,土体内部的流体来不及排出,表现出较大的弹性,因此一般的冲击过程往往将土体作为弹性体来讨论。但在实际情况中,土体受到冲击载荷作用之后,往往还保留一部分变形,这表明在冲击的过程中确实存在部分塑性变形。因此,研究返回舱的着陆过程必须充分考虑到土的弹塑性。X收稿日期:2010-06-15基金项目:国家部委资助

7、项目(2009HK10015)作者简介:郭鹏(1985)),男,博士生。94国防科技大学学报2010年第6期本文计算中采用了一种较为简单的弹性-理想塑性模型,其应力应变关系曲线如图1所示。在OA段,土体表现出线弹性应力应变关系,在这一段任意一点进行卸载,土体都会按变形曲线的逆向进行恢复,当应力消失时,土体恢复原状;如果应力继续增大至土体的极限荷载ps,土体开始屈服,表现出塑性特性,如AB段所示;在屈服段上某一点B进行卸载,土体会沿着与OA平行的恢复曲线BC进行恢复,直至应力为零,但土体还会保留一段残留形变。2返回舱着陆过程动力学模型[9]返回舱着陆时