降落伞典型开伞过程的试验研究

徐宏, 曹义华

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191)

降落伞典型开伞过程的试验研究

徐宏, 曹义华

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191)

以伞衣负荷比值为标准选择了两类伞型,在典型的有限和无限质量条件下进行了风洞和空投试验开伞过程的研究。探讨了开伞过程中伞衣形状变化与伞衣承受开伞动载之间的关系及其影响因素,比较并分析了两种状态下不同试验手段得出的试验结果的差别,总结了各自的特点,并得出了关于两种降落伞性能试验的结论。

降落伞; 风洞试验; 空投试验; 开伞过程

引言

降落伞是一个柔软透气物,其工作过程涉及不同领域的三类非线性方程:空气动力学、结构力学和飞行力学,针对这样一个复杂气动弹性体的研究是非常困难的。到目前为止,在降落伞的工程设计和分析过程中,通常仍采用的是半经验半理论方法,试验研究仍然是降落伞的主要研究手段。其中,约束(系留)试验方法中的风洞试验和非约束自由飞行试验方法中的空投试验是降落伞性能试验研究中最常用的两种试验方式[1]。风洞试验[2-5]可研究大量与开伞过程相关的气动特性与伞衣结构对其的影响;而空投试验[6-7]则有降落伞与载荷系统的运动不受外界约束的优点,保证了整个降落伞系统工作的真实性。本文针对不同用途的降落伞,采用风洞、空投两种典型的不同的试验手段,用多种实物模型和缩比模型进行了开伞过程的对比研究,获得了开伞情况下动态过程的形状、开伞载荷数据及气动力现象。该项研究有助于深入了解降落伞的工作机理,特别是研究它们之间的区别对试验结果的影响,了解不同试验方法的局限性。

1 试验原理及方法

1.1 开伞动载及影响因素

降落伞开伞是个复杂的物理过程。目前,根据对开伞过程的分析,用理论计算方法来确定降落伞的开伞时间和开伞动载的问题,至今尚未得到完满的解决。在进行开伞动力学分析时,可以考虑两种不同的情况:一种是无限质量条件,规定物-伞系统在伞衣充气过程中其速度没有明显的变化,从而可以看做是常数;另一种是有限质量条件,规定物-伞系统在伞衣充气过程中其速度有显著的衰减,因而必须加以考虑。在一般实践中,当降落伞伞衣面积载荷(物体质量/降落伞伞衣面积)大于40 kg/m2即可认为是无限质量,反之,即可认为是有限质量。目前,对于开伞动载的计算方法常采用如下公式[1]:

(1)

式中,右边第一项为降落伞质量和附加质量的惯性力;第二项为降落伞充气过程中的阻力;第三项为附加质量变化率产生的力;第四项为降落伞重力的分量。

对于一次充满的伞衣,阻力特征(CA)的变化规律常采用如下两个公式表达:

(CA)=KS(0≤S≤S1)

(2)

式中,K为系数;S为充气距离;S1为初始充气距离。

(CA)=(CA)1+β(S-S1)4(S1

(3)

式中,(CA)1为初始充气阶段结束时的阻力特征;β为修正系数;Sm为最终充气距离。

附加质量表示成阻力特征的函数公式为:

(4)

式中,Kf为修正系数。

由此可以看出,降落伞在有限质量条件下展开工作时,其最大开伞动载发生在充气过程中,且与拉直速度、高度、加速度、附加质量及其变化率(受伞衣形状的变化)、重量、伞衣面积、形状和结构等因素有关,导致开伞动载和充气过程的计算比较复杂。另外,隐含于公式内的伞衣织物有效透气量是影响开伞动载的一个主要因素,必须加以考虑。投物伞、人用伞、回收伞的主伞工作多按有限质量处理。其特点是物-伞系统速度有明显的减少,稳定过程所需时间较短。

空投试验研究属非约束的试验方法,可以进行有限质量的试验。而风洞试验研究是用约束(系留)的方法进行的,所有试验都是在无限质量工作条件下完成的。因此,在有限质量条件下,空投试验结果和风洞试验结果的开伞动载往往相差悬殊。大多数减速伞、稳定伞以及飞机着陆刹车用的阻力伞,均可按无限质量处理。其特点是物-伞系统速度衰减是很小的,稳定过程所需时间较长。无限质量条件下最大开伞动载发生在伞衣充满瞬间,其最大开伞动载的计算可简化成如下的经验公式[1]:

(5)

式中,Kd为亚声速范围内无因次动载系数,为常值。在高亚声速以上范围内,由于空气压缩性的影响,充满距离和时间均会有所延长,Kd值会有所减少。

在无限质量情况下,除了开始充气的速度(即拉直速度)对最大开伞动载有显著的影响外,其它主要影响因素是伞型结构和织物透气量。

1.2 试验模型、装置及步骤

风洞试验模型选取工程上已应用的9109救生伞缩比模型(60∶1,1 m2)、0.48 m2的6174引导伞实物模型和1 m2的0221半流带条伞实物模型。

试验风洞为全钢性结构单回流开口式DFD-03低速风洞,试验段直径2.5 m,长5.6 m。按图1所示将降落伞按使用状态安装在伞箱内。测量动态下的开伞动载、伞衣形状随时间的变化及稳态下的阻力,并采用高速摄像机拍摄开伞过程瞬间的动态画面。

图1 试验原理图

空投试验模型选取了工程上已应用的9109救生伞60 m2的实物模型和6174引导伞实物模型。

空投试验用B-5轰炸机空投,按下投放按钮,带有试验伞的铁假人被释放,开始自由坠落,利用开伞拉绳在其张紧的瞬间将封包苎麻线打开。这时,启动测过载的设备开始测开伞过载、开伞力;同时机载高速摄像机也同步开始记录。

2 试验结果及分析

2.1 风洞试验

风洞测试时间确定为10 s。对试验数据、曲线和摄像片进行整理,试验结果如下:

(1)9109伞缩比模型在风洞中的气流速度为40 m/s的条件下,吹风阻力系数为0.598,最大开伞动载为687.37 N,动载系数换算值为1.345 5。

图2为动态开伞过程曲线,图3为动态开伞过程高速摄像片。

图2 9109开伞曲线

图3 9109开伞程序

试验研究采用先拉伞衣法拉直开伞,当风洞来流速度为40 m/s时,启动打开封包布,0.312 s拉直伞系统,0.532 s伞衣张满。在随后持续工作的10 s内,张满的伞力曲线(见图2)仍持续地大幅度振荡,与图3所示的高速摄像机观察到的大幅摆动现象相吻合,表明该伞的稳定性差。

(2)6174伞在风洞气流速度为50 m/s条件下,吹风阻力系数为0.65,最大开伞动载为667.67 N,动载系数换算值为1.385。图4为动态开伞过程曲线,图5为动态开伞过程高速摄像片。

图4 6174开伞曲线

图5 6174开伞程序

试验研究采用先拉伞绳法拉直伞系统,当风洞来流速度为50 m/s时,开始启动伞箱外的小引导伞工作,0.08 s打开封包布,0.112 s拉直伞系统,0.184 s伞衣套与伞衣分离,0.304 s伞衣张满。通过分析图4开伞曲线和测试数据发现,该伞在张满瞬间,伞衣发生“呼吸”现象,在极短的时间内,开伞动载峰值产生微弱的波澜,力值变化范围在17.64 N内, 最大开伞动载产生的时间为0.396 s,显然在第一次张满瞬间之后。在随后持续工作的10 s内,张满的伞力曲线(见图4)仍持续地大幅度振荡,与图5所示的高速摄像机观察到的大幅摆动现象相吻合,也表明该伞稳定性差。

(3)0221伞在风洞气流速度为60 m/s条件下,吹风阻力系数为0.383,最大开伞动载为1001.97 N,动载系数换算值为1.203。图6为动态开伞过程曲线,图7为动态开伞过程高速摄像片。

图6 0221开伞曲线

图7 0221开伞程序

试验研究采用先拉伞绳法拉直伞系统,当风洞来流速度为60 m/s时,开始启动伞箱外的小引导伞工作,0.06 s打开封包布,0.375 s拉直伞系统,0.415 s伞衣套与伞衣分离,0.565 s伞衣张满。最大开伞动载发生在张满瞬间。在随后持续工作的10 s内,张满的伞力曲线(见图6)随时间变化仅有微弱的波动,与图7所示的高速摄像机观察到的无摆动及旋转现象相吻合,表明该伞的稳定性较好。

2.2 空投试验

测试时间确定为5 s,在飞行高度6 000 m,飞行速度650 km/h的情况下进行试验,对试验数据、曲线和摄像片进行整理。图8为9109实物模型的开伞过程高速摄像片。

图8 9109开伞程序

6174引导伞的功用是将9109伞系统从伞包中拉出、拉直包装主伞的伞衣套,最终将伞衣套从9109伞衣上拉脱。其拉动包装主伞的伞衣套质量约88.2 N左右,以伞衣负荷比值为标准,确定是在典型的有限质量条件下工作。从图8开伞程序照片上可以观察到,该伞在空中工作时的稳定性比在风洞中的好,并且没有伴随的“呼吸”现象。

图9为9109实物模型开伞过载曲线记录。图10为开伞程序的典型照片,分别对应图9中承受开伞过程拉直力过载的峰值(图10(a));伞衣套脱离伞衣,伞衣底边充气带来的充气过程中第一个峰值(图10(b))以及充气过程中最大峰值(图10(c))。整个充气过程共产生5个峰值,整个拉直至张满时间是0.891 s。

图9 9109开伞过载曲线

图10 9109开伞程序典型照片

2.3 试验分析

9109伞缩比模型在风洞中进行的开伞过程试验研究反映的是无限质量条件下开伞过程的气动特性。按照救生伞对垂直下降速度的要求推算,阻力系数应大于0.75,而风洞提供的阻力系数明显偏低;记录的图2曲线形态与图9曲线形态差别更大,完全没有反映出救生伞真实状况开伞过程力随时间的变化规律,救生伞在有限质量条件下开伞过程最大开伞动载发生在充气过程中,而不是在张满瞬间,且有两个以上峰值;图8显示该伞在空中工作的稳定性比图3在风洞中显示的稳定性要好得多,9109伞缩比模型在风洞中表现的极不稳定性在救生伞真实工作状况下是不存在的,也是不允许的。

6174伞设计的目的是起引导伞功用,保证开伞快且可靠,有足够的阻力确保伞系统沿全长拉直。这种实物模型伞在风洞中和在空投中的表现不一样。实际上该伞的阻力系数范围是0.7～0.8,无限质量情况下动载系数应大于1.8。

0221伞采用半流带条伞结构,设计的目的就是起稳定减速作用的,这种稳定结构的伞在风洞中获得的数据与真实状况获取的数据基本一致,风洞中获得的数据比空投中获得的数据略高些,这种差异有可能是在风洞试验时,降落伞模型或多或少地受到约束所致。

3 结论

(1)在有限质量条件下工作的降落伞缩比模型在风洞中开展试验研究是不合适的,空投试验才能反映该伞工作的真实工作性能。

(2)可按无限质量处理的降落伞最适合在风洞中开展试验研究。

(3)同样密实织物的实物模型伞,在有限质量条件下和无限质量条件下工作状态是不一样的。

[1] 《降落伞技术导论》编写组.降落伞技术导论[M].北京:国防工业出版社,1977.

[2] 王利荣.降落伞理论与应用[M].北京:宇航出版社,1997.

[3] Desabrais K J.Velocity field measurements in the near wake of a parachute canopy[D].Massachusetts:Worcester Polytechnic Institute,2002.

[4] Lee C K,Lanza J,Buckley J,et al.Experimental investigation of clustered parachutes inflation[R].AIAA-97-1478,1997.

[5] Tribot J P,Chalot F.Lardge gliding parachute experimental and theoretical approaches[R].AIAA-97-1482,1997.

[6] Lee C K.Experimental investigation of full-scale and model parachute opening[C]//AIAA 8th Aerodyn & Balloon Technology Conference.Hyannis,MA,April 2-4,1984:215-223.

[7] Johnson X,Yakimeoko O,Kaminer I,et al.On the development and pre-flight testing of the affordable guided airdrop system for G-12 cargo parachute[R].AIAA-2001-2060,2001.

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 “limited” 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，江苏靖江人，博士研究生，研究方向为降落伞空气动力学及飞行力学。

V211.7

A

1002-0853(2012)01-0074-05

(编辑：姚妙慧)