一种空投物最佳投放点预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及物资的空投技术领域，特别是一种空投物最佳投放点预测方法。
【背景技术】
[0002] 从国内空降空投技术水平分析，我国在"十一五"期间基本解决了装备"降得下"的 问题，但因受到对空降空投降落伞系统工作机理研究程度不高的限制，空投成功率偏低、空 投散布面大集结时间长，仍是目前空降及装备空投无法解决的问题，特别是在复杂气候和 地形条件下，甚至无法使用。在空投物实施伞降过程中，正确地进行投放点计算，准确掌握 投放时机，是使物资降落在预定着陆场内的一个重要条件。它不仅关系到着陆安全，而且关 系到缩短着陆后收集空投物资的时间。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提出一种空投物最佳投放 点预测方法，该方法根据实际伞降工作程序，分析开伞和稳降过程中空投件的运动特性，建 立可靠的物资空投过程的动力学模型，模拟空投件离机后的运动轨迹，计算出伞降弹道。并 根据已知的投放目标点，使用蒙特卡罗方法来进行计算分析空投物最佳的放点、投放时间 及投放角度。
[0004] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0005] 根据本发明提出的一种空投物最佳投放点预测方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一、建立降落伞的全三维的动力学模型、连接绳的非线性弹簧阻尼模型以及 空投物的全三维的动力学模型；
[0007] 步骤二、通过空投试验、风洞试验和CFD气动计算仿真，获得各类气动数据；
[0008] 步骤三、根据预先设定的空投物着陆点，利用步骤一中建立的模型和步骤二中获 得的各类气动数据计算出伞降弹道轨迹，由此反算出空投点位置、投放时间和投放角度；
[0009] 步骤四、重复步骤三2次以上，采用蒙特卡罗方法来进行计算分析，得到最终的空 投点位置、投放时间和投放角度。
[0010] 作为本发明所述的一种空投物最佳投放点预测方法进一步优化方案，所述降落伞 的全三维的动力学模型如下所示：
[0013] 其中，\为降落伞加速度矢量，为降落伞角加速度矢量，4为降落伞速度矢 量，为降落伞角速度矢量为重力矢量，为气动力矢量，为气动力对降落伞质 心的力矩矢量，^^为连接绳/吊带对降落伞的拉力矢量，为连接绳/吊带拉力对降落 伞质心的力矩矢量，Mp为降落伞的质量张量，J p为降落伞的惯量张量。
[0014] 作为本发明所述的一种空投物最佳投放点预测方法进一步优化方案，所述连接绳 的非线性弹簧阻尼模型如下所示：
[0016] 其中，1\为单根伞绳中的拉力，k为材料刚度系数，c为材料阻尼系数，Δ 1为绳索 伸长量，为绳索伸长量的变化率，H[*]为Heaviside阶跃函数。
[0017] 作为本发明所述的一种空投物最佳投放点预测方法进一步优化方案，所述空投物 的全三维的动力学模型包括空投物动力学方程矢量和空投物运动学方程矢量；其中，
[0018] 空投物动力学方程矢量为：
[0021] 其中，<,、成,分别为空投物加速度矢量和角加速度矢量，七、屯,分别为空投 物速度矢量和角速度矢量，<5_为空投物的重力矢量，』#为空投物受到的气动力矢量，^ 为气动力对空投物质心的力矩矢量，戶为连接绳/吊带对空投物的拉力矢量，为连 ne "V 接绳/吊带拉力对空投物质心的力矩矢量，mw为空投物的质量，J"为降落伞的转动惯量矩 阵；
[0022] 采用四元数表示法表示空投物在机体坐标系下的姿态，得到以下方程：
[0024] 其中，$为空投物姿态的四元数，上标T为转置；设有两个共点直角坐标系SJP Sb，Sb是通过Sa绕转轴转过角α而得到，所述转轴为S 3坐标系的X轴和Sb坐标系的X轴 确定的平面的法向量，且转轴经过两个共点直角坐标系的原点，转轴与坐标系Sa三轴X，y, ζ 的夹角分别为β i，β 2, β 3，则将四元数定义如下：
[0029] 空投物运动学方程矢量如下所示：
[0032] 其中，^为空投物在地面坐标系下的位置变化率矢量，$为空投物在机体坐标 系下的速度矢量，&为表示空投物姿态变化率的矢量，TB(；为体轴系到地面系的变换矩阵， 为误差修正项，且
[0034] 其中，p为空投物体的横滚角速度，q为空投物体的俯仰角速度，r为空投物体的偏 航角速度。
[0035] 作为本发明所述的一种空投物最佳投放点预测方法进一步优化方案，所述k取 0. 5〇
[0036] 作为本发明所述的一种空投物最佳投放点预测方法进一步优化方案，所述步骤二 中的各类气动数据为伞系统的气动力系数、空投物在不同迎角下的升阻力系数和俯仰力矩 系数、俯仰阻尼系数。
[0037] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0038] (1)通过该方法计算得到最佳投放点可用于空降作战或演习中指挥员科学拟定空 投方案，比目前的工程经验算法更科学更可靠；
[0039] (2)在实际空投过程中，初始条件不是恒定不变的，而是在一定范围内变化的随机 变量。随机因素的存在使得每次空降空投初始时刻的重量、高度、速度和空降空投过程中的 风向、风速大小都是不确定的，本方法采用蒙特卡洛（Monte Carlo)法对这些不同情况的影 响进行模拟和统计，使得计算更接近实际情况；
[0040] (3)通过本发明对伞降空投过程进行高精度的动力学建模和求解，能够较为可靠 的计算出指定空投条件下的空中投放点，从而为在实施伞降过程中，准确掌握投放时机，使 物资降落在预定着陆场内提供理论参考。
【附图说明】
[0041 ] 图1是本发明方法的流程图。
[0042] 图2是降落伞、连接绳以及空投物各部分采用的基本动力学模型。
[0043] 图3是本方法计算得到的最佳投放点范围。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0045] 本发明公开的一种空投物最佳投放点预测方法，将降落伞视作三维、六自由度的 变质量体进行计算，该方法根据实际伞降工作程序，分析开伞和稳降过程中空投件的运动 特性，建立可靠的物资空投过程的动力学模型，模拟空投件离机后的运动轨迹，计算出伞降 弹道。并根据已知的投放目标点，使用蒙特卡罗方法来进行计算分析空投物最佳的放点、投 放时间及投放角度。其具体工作程序流程图如图1所示，具体步骤如下所示：
[0046] 步骤一、建立降落伞、连接绳以及空投物各部分全三维的动力学模型。如图2所 示，将降落伞视作三维、6自由度的变质量体进行计算；考虑到重装空投采用多根分吊带连 接伞系统与空投件，空投过程中可能因姿态剧烈变化而出现伞力作用点在各吊点间变换的 情形，因此模型中采用全三维的吊点作用情况判断算法，该算法能够根据给定的吊带尺寸 和吊点位置自动判断不同三维姿态下理论上可能出现的各种吊点作用情形；针对空投件或 者跳伞员，稳降过程中将其视作6自由度刚体；各类降落伞与空投件或跳伞员间的相互作 用力计算将采用采用弹簧阻尼模型，从而计及各类连接绳实际的材料特性，提高计算可靠 性。推导出6自由度降落伞变质量体模型，全三维掉点模型和空投物6自由度模型分别如 下：6自由度降落伞模型
[0047] 降落伞的全三维的动力学模型如下所示：