一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物資的空投技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從國內(nèi)空降空投技術(shù)水平分析，我國在"十一五"期間基本解決了裝備"降得下"的 問題，但因受到對空降空投降落傘系統(tǒng)工作機(jī)理研究程度不高的限制，空投成功率偏低、空 投散布面大集結(jié)時間長，仍是目前空降及裝備空投無法解決的問題，特別是在復(fù)雜氣候和 地形條件下，甚至無法使用。在空投物實(shí)施傘降過程中，正確地進(jìn)行投放點(diǎn)計算，準(zhǔn)確掌握 投放時機(jī)，是使物資降落在預(yù)定著陸場內(nèi)的一個重要條件。它不僅關(guān)系到著陸安全，而且關(guān) 系到縮短著陸后收集空投物資的時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種空投物最佳投放 點(diǎn)預(yù)測方法，該方法根據(jù)實(shí)際傘降工作程序，分析開傘和穩(wěn)降過程中空投件的運(yùn)動特性，建 立可靠的物資空投過程的動力學(xué)模型，模擬空投件離機(jī)后的運(yùn)動軌跡，計算出傘降彈道。并 根據(jù)已知的投放目標(biāo)點(diǎn)，使用蒙特卡羅方法來進(jìn)行計算分析空投物最佳的放點(diǎn)、投放時間 及投放角度。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0005] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一、建立降落傘的全三維的動力學(xué)模型、連接繩的非線性彈簧阻尼模型以及 空投物的全三維的動力學(xué)模型；
[0007] 步驟二、通過空投試驗、風(fēng)洞試驗和CFD氣動計算仿真，獲得各類氣動數(shù)據(jù)；
[0008] 步驟三、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的空投物著陸點(diǎn)，利用步驟一中建立的模型和步驟二中獲 得的各類氣動數(shù)據(jù)計算出傘降彈道軌跡，由此反算出空投點(diǎn)位置、投放時間和投放角度；
[0009] 步驟四、重復(fù)步驟三2次以上，采用蒙特卡羅方法來進(jìn)行計算分析，得到最終的空 投點(diǎn)位置、投放時間和投放角度。
[0010] 作為本發(fā)明所述的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述降落傘 的全三維的動力學(xué)模型如下所示：
[0013] 其中，\為降落傘加速度矢量，為降落傘角加速度矢量，4為降落傘速度矢 量，為降落傘角速度矢量為重力矢量，為氣動力矢量，為氣動力對降落傘質(zhì) 心的力矩矢量，^^為連接繩/吊帶對降落傘的拉力矢量，為連接繩/吊帶拉力對降落 傘質(zhì)心的力矩矢量，Mp為降落傘的質(zhì)量張量，J p為降落傘的慣量張量。
[0014] 作為本發(fā)明所述的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述連接繩 的非線性彈簧阻尼模型如下所示：
[0016] 其中，1\為單根傘繩中的拉力，k為材料剛度系數(shù)，c為材料阻尼系數(shù)，Δ 1為繩索 伸長量，為繩索伸長量的變化率，H[*]為Heaviside階躍函數(shù)。
[0017] 作為本發(fā)明所述的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述空投物 的全三維的動力學(xué)模型包括空投物動力學(xué)方程矢量和空投物運(yùn)動學(xué)方程矢量；其中，
[0018] 空投物動力學(xué)方程矢量為：
[0021] 其中，<,、成,分別為空投物加速度矢量和角加速度矢量，七、屯,分別為空投 物速度矢量和角速度矢量，<5_為空投物的重力矢量，』#為空投物受到的氣動力矢量，^ 為氣動力對空投物質(zhì)心的力矩矢量，戶為連接繩/吊帶對空投物的拉力矢量，為連 ne "V 接繩/吊帶拉力對空投物質(zhì)心的力矩矢量，mw為空投物的質(zhì)量，J"為降落傘的轉(zhuǎn)動慣量矩 陣；
[0022] 采用四元數(shù)表示法表示空投物在機(jī)體坐標(biāo)系下的姿態(tài)，得到以下方程：
[0024] 其中，$為空投物姿態(tài)的四元數(shù)，上標(biāo)T為轉(zhuǎn)置；設(shè)有兩個共點(diǎn)直角坐標(biāo)系SJP Sb，Sb是通過Sa繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過角α而得到，所述轉(zhuǎn)軸為S 3坐標(biāo)系的X軸和Sb坐標(biāo)系的X軸 確定的平面的法向量，且轉(zhuǎn)軸經(jīng)過兩個共點(diǎn)直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系Sa三軸X，y, ζ 的夾角分別為β i，β 2, β 3，則將四元數(shù)定義如下：
[0029] 空投物運(yùn)動學(xué)方程矢量如下所示：
[0032] 其中，^為空投物在地面坐標(biāo)系下的位置變化率矢量，$為空投物在機(jī)體坐標(biāo) 系下的速度矢量，&為表示空投物姿態(tài)變化率的矢量，TB(；為體軸系到地面系的變換矩陣， 為誤差修正項，且

[0034] 其中，p為空投物體的橫滾角速度，q為空投物體的俯仰角速度，r為空投物體的偏 航角速度。
[0035] 作為本發(fā)明所述的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述k取 0. 5〇
[0036] 作為本發(fā)明所述的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述步驟二 中的各類氣動數(shù)據(jù)為傘系統(tǒng)的氣動力系數(shù)、空投物在不同迎角下的升阻力系數(shù)和俯仰力矩 系數(shù)、俯仰阻尼系數(shù)。
[0037] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0038] (1)通過該方法計算得到最佳投放點(diǎn)可用于空降作戰(zhàn)或演習(xí)中指揮員科學(xué)擬定空 投方案，比目前的工程經(jīng)驗算法更科學(xué)更可靠；
[0039] (2)在實(shí)際空投過程中，初始條件不是恒定不變的，而是在一定范圍內(nèi)變化的隨機(jī) 變量。隨機(jī)因素的存在使得每次空降空投初始時刻的重量、高度、速度和空降空投過程中的 風(fēng)向、風(fēng)速大小都是不確定的，本方法采用蒙特卡洛（Monte Carlo)法對這些不同情況的影 響進(jìn)行模擬和統(tǒng)計，使得計算更接近實(shí)際情況；
[0040] (3)通過本發(fā)明對傘降空投過程進(jìn)行高精度的動力學(xué)建模和求解，能夠較為可靠 的計算出指定空投條件下的空中投放點(diǎn)，從而為在實(shí)施傘降過程中，準(zhǔn)確掌握投放時機(jī)，使 物資降落在預(yù)定著陸場內(nèi)提供理論參考。
【附圖說明】
[0041 ] 圖1是本發(fā)明方法的流程圖。
[0042] 圖2是降落傘、連接繩以及空投物各部分采用的基本動力學(xué)模型。
[0043] 圖3是本方法計算得到的最佳投放點(diǎn)范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0045] 本發(fā)明公開的一種空投物最佳投放點(diǎn)預(yù)測方法，將降落傘視作三維、六自由度的 變質(zhì)量體進(jìn)行計算，該方法根據(jù)實(shí)際傘降工作程序，分析開傘和穩(wěn)降過程中空投件的運(yùn)動 特性，建立可靠的物資空投過程的動力學(xué)模型，模擬空投件離機(jī)后的運(yùn)動軌跡，計算出傘降 彈道。并根據(jù)已知的投放目標(biāo)點(diǎn)，使用蒙特卡羅方法來進(jìn)行計算分析空投物最佳的放點(diǎn)、投 放時間及投放角度。其具體工作程序流程圖如圖1所示，具體步驟如下所示：
[0046] 步驟一、建立降落傘、連接繩以及空投物各部分全三維的動力學(xué)模型。如圖2所 示，將降落傘視作三維、6自由度的變質(zhì)量體進(jìn)行計算；考慮到重裝空投采用多根分吊帶連 接傘系統(tǒng)與空投件，空投過程中可能因姿態(tài)劇烈變化而出現(xiàn)傘力作用點(diǎn)在各吊點(diǎn)間變換的 情形，因此模型中采用全三維的吊點(diǎn)作用情況判斷算法，該算法能夠根據(jù)給定的吊帶尺寸 和吊點(diǎn)位置自動判斷不同三維姿態(tài)下理論上可能出現(xiàn)的各種吊點(diǎn)作用情形；針對空投件或 者跳傘員，穩(wěn)降過程中將其視作6自由度剛體；各類降落傘與空投件或跳傘員間的相互作 用力計算將采用采用彈簧阻尼模型，從而計及各類連接繩實(shí)際的材料特性，提高計算可靠 性。推導(dǎo)出6自由度降落傘變質(zhì)量體模型，全三維掉點(diǎn)模型和空投物6自由度模型分別如 下：6自由度降落傘模型
[0047] 降落傘的全三維的動力學(xué)模型如下所示：