一种大规模空降空投着陆点预评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空投技术领域，特别是一种大规模空降空投着陆点预评估方法。
【背景技术】
[0002] 随着应用计算机技术的飞速发展，计算机数值计算与计算机仿真技术也日镲成 熟，九十年代初期，我国的相关技术开始蓬勃发展起来，但针对空降空投的计算仿真研究却 起步较晚，国内对于空降空投系统的设计以及性能计算方面的软件尤为缺乏。通过建立空 投件和跳伞员空降空投离机后的动力学模型，模拟空投件和跳伞员离机后的运动轨迹，运 用计算机模拟来获得空降空投系统工作过程的各项参数，便可计算其着陆点坐标，绘制着 陆点散布图，直观地分析和研究系统的整个工作过程，用于震救灾中空投物资或演习中指 挥员科学拟定空降空投方案。因此研究空降空投着陆点散布预评估技术，开发一套较为全 面、有效，并且易于工程人员使用的空降空投着陆点散布预评估软件，对改进及优化空降空 投系统设计，缩短研究周期，节省研究经费，提高空投系统的可靠性及稳定性都是有极其重 要意义的。另外，模拟分析结果可与空降空投试验结果互为补充，互为验证，实现空降空投 方案精确化、信息化。可以预期，随着数值模拟技术的进一步发展，它必将成为空降空投系 统设计、评估、改进中必不可少的工具
[0003] 在我国的抗震抢险中，因为灾区地形复杂，不仅重型装备、高新装备无法空投，小 件空投物品也因缺少精确空投手段，空投效果不理想，只能增大空投总量弥补物资的空投 损耗，空投效率不高。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种大规模空降空投 着陆点预评估方法，本方法可预估空降兵和空投物的着陆散布度，缩小大规模空降着陆散 布面积，缩短集结时间，减小空投损耗。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 根据本发明提出的一种大规模空降空投着陆点预评估方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、针对空投件/伞兵从出舱至最终稳降着陆的全过程进行数学建模，包括 三种模型：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，空投物的全三维 的动力学模型；
[0008] 在连接绳的非线性弹簧阻尼模型中，针对多吊点采用全三维的吊点作用情况判断 算法，根据预先设定的吊带尺寸和吊点位置自动判断不同三维姿态下出现的所有多吊点作 用情况；
[0009] 步骤二、通过空投试验，风洞试验或CFD气动计算仿真，获得降落伞和空投件/伞 兵的气动数据；
[0010] 步骤三、采用步骤一中建立的三种数学模型和步骤二获得的各类气动数据，再根 据步骤一中判断得到的多吊点作用情况，对空降空投的整个过程进行动力学计算分析，获 得空降空投系统工作过程的运动轨迹，计算其着陆点坐标；
[0011] 步骤四、重复步骤三500~5000次，考虑空中风向和风速，空投初始时刻的重量、 高度和速度的影响，采用蒙特卡罗方法来进行计算分析，统计得到着陆点范围，根据着陆点 范围绘制出着陆点散布图。
[0012] 作为本发明所述的一种大规模空降空投着陆点预评估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：
[0015] 其中，t为降落伞加速度矢量，沿;,为降落伞角加速度矢量，\为降落伞速度矢 量，为降落伞角速度矢量，为重力矢量，ip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。
[0016] 作为本发明所述的一种大规模空降空投着陆点预评估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：
[0018] 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，么I为绳索伸长量的变化率，H[*]为Heaviside阶跃函数。
[0019] 作为本发明所述的一种大规模空降空投着陆点预评估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，
[0020] 空投物动力学方程矢量为：
[0023] 其中，
分别为空投物加速度矢量和角加速度矢量，
分别为空 投物速度矢量和角速度矢量，&t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，
为连接绳/吊带对空投物的拉力矢量，
为连接绳/吊带拉力对空投物质心的力矩矢量，mw为空投物的质量，Jw为降落伞的转动惯 量矩阵；
[0024] 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：
[0026] 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S， 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：
[0031] 空投物运动学方程矢量如下所示：
[0034] 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，ΤΒ(；为体轴系到地面系的变换矩阵，
为误差修正项，且
[0036] 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。
[0037] 作为本发明所述的一种大规模空降空投着陆点预评估方法进一步优化方案，所述 k 取 0· 5〇
[0038] 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：
[0039] (1)该方法通过建立空投件和跳伞员空降空投离机后的动力学模型，模拟空投件 和跳伞员离机后的运动轨迹，运用计算机模拟来获得空降空投系统工作过程的各项参数， 便可计算其着陆点坐标，绘制着陆点散布图，直观地分析和研究系统的整个工作过程，用于 抗震救灾中空投物资或演习中指挥员科学拟定空降空投方案；
[0040] (2)该方法计算得到的着陆点坐标和着陆点散布图可用于空降作战或演习中指挥 员科学拟定空降空投方案；模拟分析结果可与空降空投试验结果互为补充，互为验证，实现 空降空投方案精确化、信息化；
[0041] (3)通过该预评估方法对空降空投系统进行模拟仿真，能够优化空投方案，从而 减少实际空投试验次数，达到真正意义上的数字模拟仿真试验，降低真机试验的风险和成 本；
[0042] (4)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，计算更接近实际情况；
[0043] (5)本方法可预估空降兵和空投物的着陆散布度，缩小大规模空降着陆散布面积， 缩短集结时间，减小空投损耗，将对于提高空降部队的机动能力和整体保障能力以及减少 空投物资的损耗起到至关重要的作用。
【附图说明】
[0044] 图1是空降空投着陆点散布仿真系统研制工作流程图。
[0045] 图2是空降空投飞行轨迹汇总图。
[0046] 图3是空降空投着陆点散布汇总图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0048] 如图1所示为本方法实现的具体流程图。首先需要对空投件/伞兵从最初机舱内 出舱至最终稳降着陆的全过程进行数学建模。
[0049] 步骤一、针对空投件/伞兵从出舱至最终稳降着陆的全过程进行数学建模，包括 三种模型：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，空投物的全三维 的动力学模型；
[0050] 在连接绳的非线性弹簧阻尼模型中，针对多吊点采用全三维的吊点作用情况判断 算法，根据预先设定的吊带尺寸和吊点位置自动判断不同三维姿态下出现的所有多吊点作 用情况；
[0051] 所述降落伞的全三维的动力学模型如下所示：
[0054] 其中，\为降落伞加速度矢量，为降落伞角加速度矢量，为降落伞速度矢
量，为降落伞角速度矢量，沒D.为重力矢量，为气动力矢量， 为气动力对降落伞 p P p.
质心的力矩矢量，#W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 pa 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。
[0055] 所述连接绳的非线性弹簧阻尼模型如下所示：
[0057] 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。
[0058] 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，
[0059] 空投物动力学方程矢量为：
[0062] 其中，
分别为空投物加速度矢量和角加速度矢量，?^、^^分别为空 投物速度矢量和角速度矢量，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，#_为连接绳/吊带对空投物的拉力矢量，
为连接绳/吊带拉力对空投物质心的力矩矢量，mw为空投物的质量，Jw为降落伞的转动惯 量矩阵；
[0063] 采用四元数表示法表示空投物在机体坐标系下的姿