徐宏, 曹義華

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)

降落傘典型開傘過程的試驗研究

徐宏, 曹義華

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191)

以傘衣負(fù)荷比值為標(biāo)準(zhǔn)選擇了兩類傘型,在典型的有限和無限質(zhì)量條件下進(jìn)行了風(fēng)洞和空投試驗開傘過程的研究。探討了開傘過程中傘衣形狀變化與傘衣承受開傘動載之間的關(guān)系及其影響因素,比較并分析了兩種狀態(tài)下不同試驗手段得出的試驗結(jié)果的差別,總結(jié)了各自的特點,并得出了關(guān)于兩種降落傘性能試驗的結(jié)論。

降落傘; 風(fēng)洞試驗; 空投試驗; 開傘過程

引言

降落傘是一個柔軟透氣物,其工作過程涉及不同領(lǐng)域的三類非線性方程:空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和飛行力學(xué),針對這樣一個復(fù)雜氣動彈性體的研究是非常困難的。到目前為止,在降落傘的工程設(shè)計和分析過程中,通常仍采用的是半經(jīng)驗半理論方法,試驗研究仍然是降落傘的主要研究手段。其中,約束(系留)試驗方法中的風(fēng)洞試驗和非約束自由飛行試驗方法中的空投試驗是降落傘性能試驗研究中最常用的兩種試驗方式[1]。風(fēng)洞試驗[2-5]可研究大量與開傘過程相關(guān)的氣動特性與傘衣結(jié)構(gòu)對其的影響;而空投試驗[6-7]則有降落傘與載荷系統(tǒng)的運動不受外界約束的優(yōu)點,保證了整個降落傘系統(tǒng)工作的真實性。本文針對不同用途的降落傘,采用風(fēng)洞、空投兩種典型的不同的試驗手段,用多種實物模型和縮比模型進(jìn)行了開傘過程的對比研究,獲得了開傘情況下動態(tài)過程的形狀、開傘載荷數(shù)據(jù)及氣動力現(xiàn)象。該項研究有助于深入了解降落傘的工作機(jī)理,特別是研究它們之間的區(qū)別對試驗結(jié)果的影響,了解不同試驗方法的局限性。

1 試驗原理及方法

1.1 開傘動載及影響因素

降落傘開傘是個復(fù)雜的物理過程。目前,根據(jù)對開傘過程的分析,用理論計算方法來確定降落傘的開傘時間和開傘動載的問題,至今尚未得到完滿的解決。在進(jìn)行開傘動力學(xué)分析時,可以考慮兩種不同的情況:一種是無限質(zhì)量條件,規(guī)定物-傘系統(tǒng)在傘衣充氣過程中其速度沒有明顯的變化,從而可以看做是常數(shù);另一種是有限質(zhì)量條件,規(guī)定物-傘系統(tǒng)在傘衣充氣過程中其速度有顯著的衰減,因而必須加以考慮。在一般實踐中,當(dāng)降落傘傘衣面積載荷(物體質(zhì)量/降落傘傘衣面積)大于40 kg/m2即可認(rèn)為是無限質(zhì)量,反之,即可認(rèn)為是有限質(zhì)量。目前,對于開傘動載的計算方法常采用如下公式[1]:

(1)

式中,右邊第一項為降落傘質(zhì)量和附加質(zhì)量的慣性力;第二項為降落傘充氣過程中的阻力;第三項為附加質(zhì)量變化率產(chǎn)生的力;第四項為降落傘重力的分量。

對于一次充滿的傘衣,阻力特征(CA)的變化規(guī)律常采用如下兩個公式表達(dá):

(CA)=KS(0≤S≤S1)

(2)

式中,K為系數(shù);S為充氣距離;S1為初始充氣距離。

(CA)=(CA)1+β(S-S1)4(S1

(3)

式中,(CA)1為初始充氣階段結(jié)束時的阻力特征;β為修正系數(shù);Sm為最終充氣距離。

附加質(zhì)量表示成阻力特征的函數(shù)公式為:

(4)

式中,Kf為修正系數(shù)。

由此可以看出,降落傘在有限質(zhì)量條件下展開工作時,其最大開傘動載發(fā)生在充氣過程中,且與拉直速度、高度、加速度、附加質(zhì)量及其變化率(受傘衣形狀的變化)、重量、傘衣面積、形狀和結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),導(dǎo)致開傘動載和充氣過程的計算比較復(fù)雜。另外,隱含于公式內(nèi)的傘衣織物有效透氣量是影響開傘動載的一個主要因素,必須加以考慮。投物傘、人用傘、回收傘的主傘工作多按有限質(zhì)量處理。其特點是物-傘系統(tǒng)速度有明顯的減少,穩(wěn)定過程所需時間較短。

空投試驗研究屬非約束的試驗方法,可以進(jìn)行有限質(zhì)量的試驗。而風(fēng)洞試驗研究是用約束(系留)的方法進(jìn)行的,所有試驗都是在無限質(zhì)量工作條件下完成的。因此,在有限質(zhì)量條件下,空投試驗結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果的開傘動載往往相差懸殊。大多數(shù)減速傘、穩(wěn)定傘以及飛機(jī)著陸剎車用的阻力傘,均可按無限質(zhì)量處理。其特點是物-傘系統(tǒng)速度衰減是很小的,穩(wěn)定過程所需時間較長。無限質(zhì)量條件下最大開傘動載發(fā)生在傘衣充滿瞬間,其最大開傘動載的計算可簡化成如下的經(jīng)驗公式[1]:

(5)

式中,Kd為亞聲速范圍內(nèi)無因次動載系數(shù),為常值。在高亞聲速以上范圍內(nèi),由于空氣壓縮性的影響,充滿距離和時間均會有所延長,Kd值會有所減少。

在無限質(zhì)量情況下,除了開始充氣的速度(即拉直速度)對最大開傘動載有顯著的影響外,其它主要影響因素是傘型結(jié)構(gòu)和織物透氣量。

1.2 試驗?zāi)Ｐ?、裝置及步驟

風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ瓦x取工程上已應(yīng)用的9109救生傘縮比模型(60∶1,1 m2)、0.48 m2的6174引導(dǎo)傘實物模型和1 m2的0221半流帶條傘實物模型。

試驗風(fēng)洞為全鋼性結(jié)構(gòu)單回流開口式DFD-03低速風(fēng)洞,試驗段直徑2.5 m,長5.6 m。按圖1所示將降落傘按使用狀態(tài)安裝在傘箱內(nèi)。測量動態(tài)下的開傘動載、傘衣形狀隨時間的變化及穩(wěn)態(tài)下的阻力,并采用高速攝像機(jī)拍攝開傘過程瞬間的動態(tài)畫面。

圖1 試驗原理圖

空投試驗?zāi)Ｐ瓦x取了工程上已應(yīng)用的9109救生傘60 m2的實物模型和6174引導(dǎo)傘實物模型。

空投試驗用B-5轟炸機(jī)空投,按下投放按鈕,帶有試驗傘的鐵假人被釋放,開始自由墜落,利用開傘拉繩在其張緊的瞬間將封包苧麻線打開。這時,啟動測過載的設(shè)備開始測開傘過載、開傘力;同時機(jī)載高速攝像機(jī)也同步開始記錄。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞測試時間確定為10 s。對試驗數(shù)據(jù)、曲線和攝像片進(jìn)行整理,試驗結(jié)果如下:

(1)9109傘縮比模型在風(fēng)洞中的氣流速度為40 m/s的條件下,吹風(fēng)阻力系數(shù)為0.598,最大開傘動載為687.37 N,動載系數(shù)換算值為1.345 5。

圖2為動態(tài)開傘過程曲線,圖3為動態(tài)開傘過程高速攝像片。

圖2 9109開傘曲線

圖3 9109開傘程序

試驗研究采用先拉傘衣法拉直開傘,當(dāng)風(fēng)洞來流速度為40 m/s時,啟動打開封包布,0.312 s拉直傘系統(tǒng),0.532 s傘衣張滿。在隨后持續(xù)工作的10 s內(nèi),張滿的傘力曲線(見圖2)仍持續(xù)地大幅度振蕩,與圖3所示的高速攝像機(jī)觀察到的大幅擺動現(xiàn)象相吻合,表明該傘的穩(wěn)定性差。

(2)6174傘在風(fēng)洞氣流速度為50 m/s條件下,吹風(fēng)阻力系數(shù)為0.65,最大開傘動載為667.67 N,動載系數(shù)換算值為1.385。圖4為動態(tài)開傘過程曲線,圖5為動態(tài)開傘過程高速攝像片。

圖4 6174開傘曲線

圖5 6174開傘程序

試驗研究采用先拉傘繩法拉直傘系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)洞來流速度為50 m/s時,開始啟動傘箱外的小引導(dǎo)傘工作,0.08 s打開封包布,0.112 s拉直傘系統(tǒng),0.184 s傘衣套與傘衣分離,0.304 s傘衣張滿。通過分析圖4開傘曲線和測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),該傘在張滿瞬間,傘衣發(fā)生“呼吸”現(xiàn)象,在極短的時間內(nèi),開傘動載峰值產(chǎn)生微弱的波瀾,力值變化范圍在17.64 N內(nèi), 最大開傘動載產(chǎn)生的時間為0.396 s,顯然在第一次張滿瞬間之后。在隨后持續(xù)工作的10 s內(nèi),張滿的傘力曲線(見圖4)仍持續(xù)地大幅度振蕩,與圖5所示的高速攝像機(jī)觀察到的大幅擺動現(xiàn)象相吻合,也表明該傘穩(wěn)定性差。

(3)0221傘在風(fēng)洞氣流速度為60 m/s條件下,吹風(fēng)阻力系數(shù)為0.383,最大開傘動載為1001.97 N,動載系數(shù)換算值為1.203。圖6為動態(tài)開傘過程曲線,圖7為動態(tài)開傘過程高速攝像片。

圖6 0221開傘曲線

圖7 0221開傘程序

試驗研究采用先拉傘繩法拉直傘系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)洞來流速度為60 m/s時,開始啟動傘箱外的小引導(dǎo)傘工作,0.06 s打開封包布,0.375 s拉直傘系統(tǒng),0.415 s傘衣套與傘衣分離,0.565 s傘衣張滿。最大開傘動載發(fā)生在張滿瞬間。在隨后持續(xù)工作的10 s內(nèi),張滿的傘力曲線(見圖6)隨時間變化僅有微弱的波動,與圖7所示的高速攝像機(jī)觀察到的無擺動及旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象相吻合,表明該傘的穩(wěn)定性較好。

2.2 空投試驗

測試時間確定為5 s,在飛行高度6 000 m,飛行速度650 km/h的情況下進(jìn)行試驗,對試驗數(shù)據(jù)、曲線和攝像片進(jìn)行整理。圖8為9109實物模型的開傘過程高速攝像片。

圖8 9109開傘程序

6174引導(dǎo)傘的功用是將9109傘系統(tǒng)從傘包中拉出、拉直包裝主傘的傘衣套,最終將傘衣套從9109傘衣上拉脫。其拉動包裝主傘的傘衣套質(zhì)量約88.2 N左右,以傘衣負(fù)荷比值為標(biāo)準(zhǔn),確定是在典型的有限質(zhì)量條件下工作。從圖8開傘程序照片上可以觀察到,該傘在空中工作時的穩(wěn)定性比在風(fēng)洞中的好,并且沒有伴隨的“呼吸”現(xiàn)象。

圖9為9109實物模型開傘過載曲線記錄。圖10為開傘程序的典型照片,分別對應(yīng)圖9中承受開傘過程拉直力過載的峰值(圖10(a));傘衣套脫離傘衣,傘衣底邊充氣帶來的充氣過程中第一個峰值(圖10(b))以及充氣過程中最大峰值(圖10(c))。整個充氣過程共產(chǎn)生5個峰值,整個拉直至張滿時間是0.891 s。

圖9 9109開傘過載曲線

圖10 9109開傘程序典型照片

2.3 試驗分析

9109傘縮比模型在風(fēng)洞中進(jìn)行的開傘過程試驗研究反映的是無限質(zhì)量條件下開傘過程的氣動特性。按照救生傘對垂直下降速度的要求推算,阻力系數(shù)應(yīng)大于0.75,而風(fēng)洞提供的阻力系數(shù)明顯偏低;記錄的圖2曲線形態(tài)與圖9曲線形態(tài)差別更大,完全沒有反映出救生傘真實狀況開傘過程力隨時間的變化規(guī)律,救生傘在有限質(zhì)量條件下開傘過程最大開傘動載發(fā)生在充氣過程中,而不是在張滿瞬間,且有兩個以上峰值;圖8顯示該傘在空中工作的穩(wěn)定性比圖3在風(fēng)洞中顯示的穩(wěn)定性要好得多,9109傘縮比模型在風(fēng)洞中表現(xiàn)的極不穩(wěn)定性在救生傘真實工作狀況下是不存在的,也是不允許的。

6174傘設(shè)計的目的是起引導(dǎo)傘功用,保證開傘快且可靠,有足夠的阻力確保傘系統(tǒng)沿全長拉直。這種實物模型傘在風(fēng)洞中和在空投中的表現(xiàn)不一樣。實際上該傘的阻力系數(shù)范圍是0.7～0.8,無限質(zhì)量情況下動載系數(shù)應(yīng)大于1.8。

0221傘采用半流帶條傘結(jié)構(gòu),設(shè)計的目的就是起穩(wěn)定減速作用的,這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的傘在風(fēng)洞中獲得的數(shù)據(jù)與真實狀況獲取的數(shù)據(jù)基本一致,風(fēng)洞中獲得的數(shù)據(jù)比空投中獲得的數(shù)據(jù)略高些,這種差異有可能是在風(fēng)洞試驗時,降落傘模型或多或少地受到約束所致。

3 結(jié)論

(1)在有限質(zhì)量條件下工作的降落傘縮比模型在風(fēng)洞中開展試驗研究是不合適的,空投試驗才能反映該傘工作的真實工作性能。

(2)可按無限質(zhì)量處理的降落傘最適合在風(fēng)洞中開展試驗研究。

(3)同樣密實織物的實物模型傘,在有限質(zhì)量條件下和無限質(zhì)量條件下工作狀態(tài)是不一樣的。

[1] 《降落傘技術(shù)導(dǎo)論》編寫組.降落傘技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:國防工業(yè)出版社,1977.

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Experimentalinvestigationintypicalparachuteopeningprocess

XU Hong, CAO Yi-hua

(School of Aeronautic Science and Engineering, BUAA, Beijing 100191, China)

Through the experiments on typical parachute opening process, and by using the canopy load ratio as a standard to choose the two classes of parachute, the wind tunnel and airdrop tests for its opening process were conducted in typical “l(fā)imited” and “unlimited” quality conditions. The relationships between the canopy shape and dynamic load in opening process and their corresponding influencing factors were detailedly discussed and studied. Differences between two test results were also compared and further analyzed. And their characteristics were indicated. In addition, some conclusions of several parachute performances were drawn in the end of this paper.

parachute; tunnel test; airdrop test; parachute opening process

2011-04-21;

2011-10-07

徐宏(1960-)，男，江蘇靖江人，博士研究生，研究方向為降落傘空氣動力學(xué)及飛行力學(xué)。

V211.7

A

1002-0853(2012)01-0074-05

(編輯：姚妙慧)