项目/论文提案样本
AE295A - Joshua Benton向Dr. Nikos Mourtos提交的硕士项目提案
2011年9月1日
用于目标载荷返回的可伸缩自主gps制导伞的小型化、集成、分析和高空飞行测试
背景与背景
伞翼是一种特殊类型的非刚性翼型，依靠飞行中的动压来保持其形状。由于它们是非刚性的（因此可折叠/可包装），伞翼非常适合需要控制下降的应用，但对于任何一种传统的机翼结构来说，装载都是有限的。此外，与传统的圆形降落伞相比，伞翼有更大的方向控制，改善滑翔性能，以及通过控制（或“切换”）线变形翼型形状来调整下降速度的能力。伞翼的这些特性使其在人类空中降落中非常受欢迎，整个伞翼以及冗余备份可以存放在背包中，并在必要时迅速部署。
除了载人应用之外，伞翼还提供了一种有吸引力的方式，以中等程度的精度将各种有效载荷（例如军用物资、应急设备、食品包装）运送到偏远或无法到达的地点。这种精度可以通过在有效载荷上包括一个自主控制系统来进一步提高，该系统可以像人类一样有效地操纵伞翼，以更高的精度引导它到达着陆点。在过去的十年里，几个独立的研究工作都集中在做这一点上，提供完整的，“智能”伞翼系统，自动驾驶到一个预定的着陆点，运送有效载荷（通常是军事物资）。最近的研究工作已经提高了这些系统的精度，从几公里的着陆误差到更小的数量级，这取决于盛行风和初始下降高度。
在我在美国宇航局艾姆斯研究中心的工作中，我们已经确定需要在需要或必要的时候从国际空间站返回小型有效载荷（如生物样品和小型科学实验），独立于相对较少BET9九州体育登陆官方空间站的大型载人或补给飞行器。我们提出的解决这一问题的办法需要一种方法，在其旅程的最后一段引导有效载荷到选定的着陆点，高度精确，以帮助简单和立即的检索。在拟议的返回系统中，可用的体积空间消除了刚性机翼结构作为解决方案，并且用于大气下降的滑翔装置必须在返回后保持存放状态。由于这些原因，伞翼系统似乎是一个非常有吸引力的解决方案。
除了国际空间站的返回应用之外，一个成熟的自主伞系统可以扩大规模，并用于我们感兴趣的许多其他应用，包括亚轨道探空火箭飞行的返回实验，目前依赖于缓慢、昂贵且经常不成功的从租来的船上回收水。
我们已经确定并与加利福尼亚州蒙特雷海军研究生院的研究人员合作，研究他们正在开发的gps导航伞装置。通过我们的合作，我们已经建立了我们自己的gps制导返回设备版本，并在低空（约3000英尺。AGL）的自主无人机上进行了多次坠落测试。我们还与爱达荷大学的同事和一个学生团队合作，将该装置在高空气球上落下了3次，但其中两次落下失败了：第一次，由于缠结而未能与气球分离；第二，伞翼不能完全充气。
问题定义和方法
虽然我们已经制造了一个我们希望用于国际空间站的自主伞翼返回装置的原型，但要使它成为一个实际可行的解决方案，还有许多问题需要解决：
- 自主控制系统的小型化：目前，悬挂在伞翼下方的自主转向系统体积太大，无法适应国际空间站样品回收系统的限制。为了使控制系统小型化，同时保持可靠性和功能性，需要设计物理结构和更有效的封装方案。为了实现这一目标，需要更小的转向伺服器，更高效的索具和张力，以及更小的电池（同时仍保持设计余量）。
- 高空翼伞空气动力学特性：由于我们希望使用该装置的应用性质，在尽可能高的高度获得转向权是有利的。这样做，目标着陆的最大可达到的地面范围得到改善。不幸的是，伞翼的功能依赖于动压来保持其结构形状，由于伞翼在有效载荷上的坍塌和“俯冲”，在高空使用是有问题的。为了了解翼伞返航装置能够实现的最大滑翔能力，需要通过分析和测试对翼伞在高空/低压下的空气动力学特性进行表征和验证。CFD、真空室测试和2012年4月的另一次高空气球测试将用于分析和验证降落伞在高空的性能。
- 伞翼结构的半刚性化：为了消除伞翼在低动压下的坍塌问题，将开发一种在保持可包装积载能力的情况下自行展开的方法。轻型弹簧状材料系统将被添加到伞翼上，使结构“半刚性”，并能够在低压环境中保持其形状。真空室测试将在集成系统的气球飞行测试之前提供一种验证方法。
- 将高级制导代码的软件移植到较新的控制板上：目前，我们海军研究生院的gps制导伞设备使用的微处理器板与他们的设备不同。在此之前，我只对我们的电路板进行了编程，使其引导设备到指定的航向，而不是特定的着陆坐标集。高级代码的移植版本已经存在，但它是为我们的控制板的旧版本编写的，并且还没有经过测试/调试。作为开发工作的一部分，移植的代码需要修改以与新版本的控制板、调试和地面测试兼容。
如上所述，有机会在2012年4月与爱达荷大学RISE气球团队合作，在高空气球上对整个系统进行飞行测试。这是我们过去曾与之合作过的同一个团队，并且已经建立了良好的工作关系，并了解了伞翼系统安全飞行测试的所有必要程序和协议。在飞行过程中，有效载荷和气球通过APRS无线电网络（业余业余爱好者波段）上的冗余GPS转发器进行跟踪，从而能够精确恢复有效载荷系统。
从飞行测试返回的数据包括高清视频（一个摄像头向上看伞翼，另一个摄像头向上看地面45度）；通过APRS网络的GPS飞行轨迹，包括时间和高度，以及伞翼装置的数据记录控制板；以及通过机载IMU测量翼伞载荷的三维分量速度和加速度。
