本发明涉及一种柔性翼伞气动特性模型建模方法，属于空降空投。
背景技术：
0、背景
1、翼伞具有优良的滑翔性能和操纵性能，在航空航天等领域有着广泛而重要的应用。由于翼伞由柔性织物制成，飞行过程中可通过操纵改变其外形进而改变其速度、姿态等，究其原因在于翼伞的气动特性是由其外形、气动角、速度等多参数耦合决定。因此，构建翼伞准确的气动模型，为翼伞系统的弹道分析提供气动模型输入，对翼伞的飞行控制及着陆预测具有重要意义。
2、早期较多学者通过试验方法确定固定工况下的气动特性，进而通过数据插值得到各工况点翼伞气动特性(如熊菁.翼伞系统动力学与归航方案研究)，一方面试验成本高、风场外扰不可控、试验结果随机性大，准确性无法保证，另一方面该方法依靠有限的数据点差值，误差较大；目前有部分学者通过流场仿真计算的方法，建立了考虑操纵量及攻角的气动力特性模型(如孙青林,梁炜,陶金,等.基于cfd与最小二乘法的翼伞动力学建模)。然而翼伞实际操纵过程中，系统姿态显著改变，进一步导致了气动特性变化，因此有必要考虑翼伞姿态及运动变化对气动特性的耦合影响，并对翼伞气动力矩特性分析建模，建立完善的气动特性模型，真实反应不同操纵方式及操纵量、姿态角、速度等参数耦合变化对翼伞气动性能的影响。
技术实现思路
1、基于上述问题，本发明公开了一种柔性翼伞气动特性建模方法，通过建立高精度流场数值模型，快速搭建翼伞气动特性耦合数据库，并根据不同操纵方式及操纵量、姿态角及速度对翼伞气动特性影响规律，建立多参数影响下翼伞气动力特性及气动力矩特性的耦合气动模型，为翼伞轨迹规划和飞行控制提供必要输入。
2、一种柔性翼伞气动特性建模方法，包括如下步骤：
3、步骤a，根据调研及对翼伞典型试验分析，确定影响翼伞气动特性的影响因素；
4、步骤b，根据翼伞工作过程中变形特征，定义翼伞鼓包度χ、翼伞操纵后缘下折角σ，以描述翼伞不同操纵量下的鼓包外形；
5、步骤c，基于所述翼伞不同操纵量下鼓包外形，建立高精度柔性翼伞流场数值模型；
6、步骤d，基于步骤a所述影响因素及步骤c所述高精度柔性翼伞流场数值模型，确定翼伞气动特性以计算包线及具体工况，然后进行流场数值计算，建立翼伞气动特性仿真数据库，得到不同操纵量、气动角以及速度对翼伞的气动特性影响规律；
7、步骤e，建立多参数影响下的气动特性耦合模型，表示为
8、cx＝f(α,β,δe,δa,v,wp,wr,wq)
9、其中，下标x代表气动力及气动力矩系数x＝(l,d,l,m,n)，l、d、l、m、n分别表示升力、阻力、滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩；α、β为翼伞飞行过程中的攻角、侧滑角，δa、δe为翼伞单侧、双侧操纵量，v为翼伞的飞行速度，wp、wq、wr分别为翼伞的滚转、俯仰、偏航角速度。
10、作为优选，步骤a中，所述影响因素包括翼伞的外形变化、飞行过程中的气动角、飞行速度及角速度；其中，翼伞外形变化包括飞行过程中翼伞外形的变化以及翼伞结构参数变化。
11、作为优选，步骤b中，翼伞鼓包度χ用于定量描述伞衣充气变形程度，表示为：
12、χ＝(s-e)/e (1)
13、其中s为翼伞两类翼肋之间上翼面织物宽度，e为充满时两翼肋之间的距离；
14、无量纲操纵量δ与下折角σ的关系为：
15、δ＝σ/δm (2)
16、式中，δm为翼伞最大安全操纵下拉量对应下折角。
17、作为优选，步骤b中，所述翼伞工作过程中变形特征为无操纵、双侧操纵、单侧操纵三种操纵下的变形特征；操纵量包括翼伞1/4和2/3操纵量，操纵量越大，翼伞形变越明显。
18、作为优选，步骤c中，高精度柔性翼伞流场数值模型建立方法为：以翼伞弦长c为特征长度，建立长方体流场域，流场采用六面体非结构网格；为模拟翼伞气动模型中翼伞的转动，以系统质心为旋转中心，翼伞系统周围建立旋转流体域，旋转流体域分别以x、y、z为轴旋转，以模拟翼伞滚转、俯仰、偏航三个方向角速度，并对旋转域及伞衣表面进行网格加密。
19、作为优选，步骤c中，高精度柔性翼伞流场数值模型表示为：
20、
21、式中，ρ为大气密度；u、v、w分别为沿翼伞坐标系三轴的分速度；v为速度；p为压强；fx、fy、fz分别为体轴力在翼伞坐标系三轴的分量；(fx)vis、(fy)vis、(fz)vis分别为粘性力在三轴的投影。
22、作为优选，在流场数值计算中，湍流模型采用在近壁自由流中有更好模拟效果和更高精度的sstk-ω二方程模型，压强与速度耦合求解采用coupled算法，空间离散采用二阶迎风格式。
23、作为优选，步骤d包括：步骤d1，根据气动特性影响因素，确定翼伞气动特性计算的输入变量，包括翼伞的操纵方式及操纵量、攻角、侧滑角、角速度，根据翼伞相关试验测量得到的飞行弹道数据确定不同影响因素的取值范围；步骤d2，根据影响因素计算包线，基于全面因素设计、正交设计方法建立输入工况，进行数值仿真计算，输出每种工况下翼伞的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、滚转力矩系数、偏航力矩系数等翼伞气动特性，构成气动特性仿真数据库；步骤d3，根据翼伞气动特性仿真数据库，开展翼伞气动特性影响因素的敏感度分析，获得各影响因素对气动特性的影响规律。
24、作为优选，所述影响规律包括线性变化、非线性变化及不明显变化三种，若气动特性ci随任一变量φ线性变化，则表示为ci＝ciφφ+ciφ0，其中特性系数为常数，ciφ表示ci随变量φ的变化率，ciφ0为其他变量对气动特性ci的影响；若气动特性ci随变量φ非线性变化，则表示为特性系数表示ci随变量φ二次项φ2的变化率；若气动特性ci随变量φ变化不明显，则表示为ci＝ciφ0。
25、有益效果
26、本发明所设计一种柔性翼伞气动特性建模方法，通过数值计算，形成多参数气动模型数据库，能快速为气动特性建模提供大量、准确的输入。同时，根据操纵量、气动角、速度等因素对气动特性的影响规律进行耦合分析建模，真实反应不同参数对力和力矩系数的耦合影响，提高了模型精度及建模效率，对柔性翼伞不同工况下气动特性的快速预测、翼伞及其他刚柔组合飞行器的飞行控制和着陆预测有工程应用价值。
1.一种柔性翼伞气动特性建模方法，建立考虑外形、气动角、运动特性多参数影响的柔性翼伞气动特性耦合模型，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤a中，所述影响因素包括翼伞的外形变化、飞行过程中的气动角、飞行速度及角速度；其中，翼伞外形变化包括飞行过程中翼伞外形的变化以及翼伞结构参数变化。
3.根据权利要求1所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤b中，翼伞鼓包度χ用于定量描述伞衣充气变形程度，表示为：
4.根据权利要求1-3任意一项所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤b中，所述翼伞工作过程中变形特征为无操纵、双侧操纵、单侧操纵三种操纵下的变形特征；操纵量范围为0到1，操纵量越大，翼伞形变越明显。
5.根据权利要求1所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤c中，高精度柔性翼伞流场数值模型建立方法为：以翼伞弦长c为特征长度，建立长方体流场域，流场采用六面体非结构网格；为模拟翼伞气动模型中翼伞的转动，以系统质心为旋转中心，翼伞系统周围建立旋转流体域，旋转流体域分别以x、y、z为轴旋转，以模拟翼伞滚转、俯仰、偏航三个方向角速度，并对旋转域及伞衣表面进行网格加密。
6.根据权利要求1所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤c中，高精度柔性翼伞流场数值模型表示为：
7.根据权利要求1或6所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，在流场数值计算中，湍流模型采用在近壁自由流中有更好模拟效果和更高精度的sst k-ω二方程模型，压强与速度耦合求解采用coupled算法，空间离散采用二阶迎风格式。
8.根据权利要求1所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，步骤d包括：
9.根据权利要求1或8所述的柔性翼伞气动特性建模方法，其特征在于，所述影响规律包括线性变化、非线性变化及不明显变化三种，若气动特性ci随任一变量φ线性变化，则表示为ci＝ciφφ+ciφ0，其中特性系数为常数，ciφ表示ci随变量φ的变化率，ciφ0为其他变量对气动特性ci的影响；若气动特性ci随变量φ非线性变化，则表示为特性系数表示ci随变量φ二次项φ2的变化率；若气动特性ci随变量φ变化不明显，则表示为ci＝ciφ0。
