无伞精确空投模式下飘带试验研究

2021-05-06兰文昌王中阳王申奥

南京航空航天大学学报 2021年2期

兰文昌，王中阳，王申奥

（航空工业航宇救生装备有限公司航空防护救生技术航空科技重点实验室，襄阳441003）

随着中国自行设计研制的大型水陆两栖飞机成功实现水上首飞起降，国内开展了大型水陆两栖飞机海上救援、森林灭火、海洋巡察等多项特征任务研究。海上救援[1]任务研究包括水陆两栖飞机及配套救援装备在海上救援作业时的应用模式研究、海上救援低成本精确空投技术研究、海上着水救援起降安全性及流程技术研究等。基于无伞精确空投模式的飘带研究也属于海上救援低成本精确空投技术的研究内容之一。

水陆两栖飞机载重量大，携带救援物资方便，但抗浪水平不高于2 m，通常在3 级海况以下开展施救。在3 级以上海况时，空投救援物资以支持遇险人员开展自救互救是一项有力的救援手段。为防止空投物包装在空投过程中破损，根据现有空投需求、相关救生物资产品实物以及空投过程中空投物空投过载和冲击与质量的关系，空投救援物资的质量一般不大于50 kg[2]。空投的救援物资包括饮用水、食品、药品、救生船和各类救生物品包，而用于自救互救的技术范围主要是止血、包扎、固定等简单的急救措施，此时空投物资主要是应急食品、急救药品和耗材等小物质，为遇险人员自救互救提供物质条件，进而稳定其生命体征和心理素质，最终提高生还率、低伤死率和伤残率[3]。

飘带是一种空投物资的减速装置，相对降落伞，具有受风力影响较小、空投物资振动角度较小、包装简单、空投快捷等优点，是小物质精确空投的有效措施。文献[4]中对织物飘带的拖动特性进行了深入研究。文献[5-6]中进行了飘带稳定器实验，以改善火箭弹的空气动力特性。基于飘带的优良特性，美军设计了SPARK 轻型急救包，为待救人员提供自救互救的救援物资。它采用橘红色长飘带减速着陆，质量为2.72 kg，包装体积为330 mm×254 mm×114 mm，如图1 所示。

图1 SPARK 轻型急救包Fig.1 SPARK light first-aid bag

国内也有使用飘带作为子母弹中子弹减速装置的研究[7-9]。飘带在气流作用下打开，稳定子弹的飞行姿态，使弹轴与地面的夹角基本保持垂直。但采用飘带作为减速装置空投物资的成熟产品较少。本文利用空气动力学理论，设计了一款基于无伞精确空投模式的空投物品包，研究了飘带的空气动力学特性，以满足水陆两栖飞机在典型海况下空投救援物资的需求。

1 分析与实施

1.1 空投物品清单

依据国家突发事件应对法和突发公共事件医疗卫生救援应急预案中的原则与方法，按照不同海难类型，依托海难飞机救援食品药品的遴选原则，配备侧重点不同的救援食品、药品和耗材。为满足采购需要，选择货架成品，根据相关救生系统对飞行人员救生物品及个体防护装具配备要求，对空投物品作了选择，按两人24 h 配置的救生物品具体内容如表1 所示。

1.2 空投物品包

空投物品包主要由物品包和飘带组成，如图2所示。其中物品包用来包装救生物品、浮板和飘带，投放时飘带在空中展开，为物品包提供阻力，保证可接受的下落速度。

飘带通常成“Z”型折叠放置在物品包中。在投放物品包时，飘带末端的挂点和保险绳受物品包重力牵引，将飘带从物品包中拉出。飘带拉直后，保险绳受力过大而断裂。展开的飘带表面受到空气的摩擦，在空中剧烈颤动，产生阻力。飘带产生的阻力减小了物品包的下落速度和摆动角度，最终降落到预定地点。

表1 空投物品清单Table 1 List of airdrop goods

图2 空投物品包的结构Fig.2 Structure of airdrop bag

在典型海况下，依托水陆两栖飞机投放小质量救援物资，供遇险人员自救互救，降低伤死率和伤残率。参照美国SPARK 轻型急救包的性能要求，拟定的空投物品包的主要技术指标为：系统质量≤3 kg、包装体积≤330 mm×220 mm×80 mm、空投机速150～220 km / h、空投高度100～300 m、下落速度≤18 m/s。

1.3 结构设计

1.3.1 物品包结构设计

物品包分为外层和内层。外层通过勾带绒带粘合，用于收纳飘带；内层通过拉链拉合，内层分置多个口袋，用于存放救援物资，口袋下方设置夹层，内部放置浮板，为救援物资提供缓冲，并保证物品包入水后浮起，方便打捞和使用。物品包内部结构如图3 所示。

按表1 统计的无伞空投物品包飘带空投物品的质量为1.47 kg；浮板选用PEP 材料，密度为20 kg/m3，质量为0.03 kg；物品包主部材料采用锦丝帆绸，估算的物品包质量为0.37 kg；飘带采用锦丝帆绸、涤丝绸等，估算其最大质量为0.65 kg。综上，空投物品包总质量为2.52 kg。

图3 物品包内部结构Fig.3 Internal structure of airdrop bag

为保证物品质量在包内均匀布局，按照救援物资的体积和质量设置救援物资布局，物品需要的空间尺寸为330 mm×220 mm×30 mm；浮板的体积为330 mm×220 mm×20 mm。综上，物品包体积为330 mm×220 mm×50 mm。依据密度公式，计算空投物品包的密度为694.21 kg/m3，小于海水的密度1 025 kg/m3，物品包可以在海水中浮起。

1.3.2 飘带设计

文献[4]中讨论飘带阻力时指出，飘带表面的摩擦力只占飘带阻力很小一部分，飘带阻力很大部分来源于飘带颤振。决定飘带阻力大小的因素为飘带的长宽比和飘带单位面积织物的质量。

飘带阻力系数（Drag coefficient）C 是飘带阻力的关键参数，国内已有针对此内容的初步研究[10]。依据文献[11]中对长宽比（L/W）在4～75 范围内的飘带的研究，飘带的阻力系数C 与飘带的长宽比符合线性增加函数，如图4 所示。经曲线拟合得到

图4 飘带阻力系数与长宽比曲线Fig.4 Ribbon resistance coefficient versus lenght-width ratio

根据降落伞技术导论[12]，飘带在空气中产生的阻力为

式中：Q 为物体产生的空气阻力，N；ρ 为空气密度,kg/m3；v 为物体的速度,m/s；A 为物体的面积，m2。

图5 飘带的结构[13]Fig.5 Structure of ribbon[13]

图6 鼓风兜裁片Fig.6 Cut-parts of air pocket

为研究Hoerner 提出飘带单位面积织物的重量对飘带阻力大小的影响，试验中飘带采用了44190 晶格绸和520 锦丝帆绸两种材料制作，这两种材料的主要机械性能见表2。

表2 飘带材料的机械性能Table 2 Mechanical properties of ribbon materials

文中设计了4 种飘带（表3）以研究其特性，其外形如图7～9 所示，物品包外形如图10～11所示。

表3 飘带的主要特征Table 3 Key features of ribbon

图7 飘带1(蓝色)和飘带2(橘色)Fig.7 Ribbon 1 (Blue)and Ribbon 2 (Orange)

图8 飘带3Fig.8 Ribbon 3

图9 飘带4Fig.9 Ribbon 4

图10 空投物品包(飘带3)Fig.10 Airdrop bag(Ribbon 3)

图11 空投物品包(飘带4)Fig.11 Airdrop bag(Ribbon 4)

2 试验方法

文中采用伞塔静态投放方法研究飘带的着陆速度。在物品包内放置的配重物品为铅块和石子。试验员站在高度为120 m 的塔顶，将飘带和下端的物品包自由展开，试验员拉紧飘带顶端，在收到投放命令后，松开飘带顶端，飘带在空中自由飘落。试验过程中记录了当时当地气压和风速，用普通摄像机记录飘带的下落过程，图12 为试验现场图。

图12 伞塔投放试验Fig.12 Flag-dropping test of tower

按式（1～2）初步计算出4 种飘带在距离地面最小23 m 处达到稳定下降状态，因此试验中通过高速摄像机（250 帧）判读飘带在着陆点上空15 m内的平均落速可行。运用摄影测量学[14-16]，应用Funimate Video Editor 软件按以下两步骤判读飘带在着陆点上空15 m 内的平均落速。

2.1 像平面坐标系

像平面坐标系oxy 以影像几何中心o 为原点，x，y 轴分别平行于影像画幅边缘线，如图13 所示。像空间坐标系用于描述像点、投影中心的空间位置，其原点为图像投影中心S，z 轴正向为摄影方向的反方向，与oS 重合。通过点S 作平行于像片上x、y 轴的轴线即为像空间坐标系的X、Y 轴，与Z 轴组成像空间直角坐标系S-XYZ。在此坐标系中，每一个像点的Z 坐标都等于摄影主距，当没有特别要求时，一般以摄影焦距f 表示, 但符号为负。

图13 像平面坐标系和像空间坐标系Fig.13 Image plane coordinate system and image space coordinate system

2.2 平均落速计算

假定摄像机拍摄频率为1/t，在物体落点处竖立标尺, 标尺上垂直方向的参考间距L0为1 m，标尺在像平面坐标系中，参考间距L0垂直方向的像素点距为y1-y0；计算机在物体上标记参考点A。物体在像空间坐标系中，参考点A 前后帧的空间位置分别为(Xn-1,Yn-1)和(Xn,Yn)。物体在像空间坐标系中，参考点A 前后帧垂直方向的像素点距为（yn-yn-1）。通过计算机数值解算，可求出（y1-y0,yn-yn-1）。物体第n 帧在空间中的实际下落距离Ln满足

因此，物体第n 帧的落速为Vn=Ln/t。依此，求出着陆点上空15 m 内所有典型帧的落速，取平均值为飘带单次试验的平均落速。

3 结果分析讨论

3.1 伞塔投放试验结果

伞塔投放时，在伞塔顶对每种飘带投放2 次，取2 次落速的平均值。表4 给出了空投物品包投放试验结果。

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表4 空投物品包投放试验结果Table 4 Flag‑dropping test results of airdrop bag

文中使用的飘带选取了不同的材质，飘带的制作相对于降落伞更为简单方便。研究过程中开展了样件试制和空投试验验证，无论是空投1.5 kg 的物资还是3.5 kg 的物资，其着陆速度均满足不大于18 m/s 的指标要求，落点范围小，圆满完成了应用无伞空投物品包低成本、轻量化空投小物质救援物品的任务，达到了预定效果。

3.2 飘带阻力特性

根据伞塔投放试验结果，按式（2）推算飘带的阻力特性CA 试验值，计算结果如表5 所示。计算时认为飘带产生的空气阻力Q 与系统重量mg 相等，即物品包匀速着陆，物品包产生的阻力忽略不计。

表5 飘带阻力特性试验结果Table 5 Test results of ribbon resistence characteristics

由于飘带3 和飘带4 配备鼓风兜，不能用飘带面积计算飘带的阻力系数试验值。根据表5，若忽略鼓风兜对飘带自身阻力特征的影响，可用飘带2的阻力特征(CA)2试验值与飘带4 的阻力特征(CA)4试验值，简单推算单个鼓风兜的阻力特征为

根据式（4）计算的单个鼓风兜阻力特征CA 为0.019 m2。

观察无鼓风兜的飘带空投物品包的下落过程可以看出：在下落初期，飘带剧烈颤振，在物品包端不断产生波峰，同一时刻飘带上可存在多个波幅较小的波峰，波峰快速向飘带的末端移动，随着飘带的剪尾小幅摆动后依次消失。在空投物品包下落后期，飘带的颤振平缓，每间隔一定的时间，飘带上产生一个波幅较大的波峰，波峰缓慢向飘带末端移动，并随着飘带剪尾大幅摆动后消失。图14 给出了下落后期典型波峰在飘带上“产生—移动—消失”的过程，波峰从产生到消失经历了约25 ms。下落初期空投物品包受重力作用，加速向下运动，速度越来越快，此时飘带颤振剧烈；下落后期空投物品包在飘带产生的阻力作用下，速度越来越小并趋于稳定，此时飘带颤振柔和。空投物品包的速度与飘带的颤振密切相关，可以认为飘带的颤振越剧烈，产生的阻力越大，这也印证了Hoerner 提出的飘带阻力主要来源于飘带的颤振。

图14 无鼓风兜飘带下落后期实况图Fig.14 Actual pictures of later falling stage of ribbon with-out air pocket

观察有鼓风兜的飘带空投物品包的下落过程可知，飘带波峰只在鼓风兜与飘带的末端产生，充气饱满的鼓风兜是飘带阻力的主要来源。图15 给出配备鼓风兜的飘带下落后期典型波峰“产生—移动—消失”的过程，波峰从产生到消失经历了约32 ms。

图15 有鼓风兜飘带飘带下落后期实况图Fig.15 Actual pictures of later falling stage of ribbon with air pocket

文中设计的飘带长宽比为18～20，均在文献[11]研究的4～75 范围内[11]。在理论设计阶段，运用了文献[11]给出的阻力系数函数，计算了飘带稳定下降时距地面的最低高度，为高速摄像机判读飘带在着陆点上空的平均落速提供了依据。特别是飘带2 的阻力系数理论值为0.059，试验值为0.044，两者相差不大。试验说明采用文献[11]中给出的阻力系数函数初步判定稳降高度可行，其基于飘带长宽比的阻力系数函数具有较强的工程指导意义。

文献[4]中指出飘带单位面积织物的重量是决定飘带阻力大小的因素之一。文中根据式（2）计算了飘带1 和飘带2 的阻力系数试验值分别为0.027 和0.044，说明飘带单位面积织物的重量越大，提供的阻力越大，这是对Hoerner 理论[4]的有益拓展。

文献[11]在拟合基于飘带长宽比的阻力系数函数时，采用了多种长宽比的飘带，但均是由一种锦丝材料制成[11]。而本文中飘带采用了44190 晶格绸和520 锦丝帆绸两种材料，其中44190 晶格绸（65 g/m2）为单位面积织物质量较轻的涤丝绸，远小于520 锦丝帆绸（300 g/m2）。这是造成飘带1 的阻力系数试验值（0.027）与计算值（0.059）偏差较大的原因。

本文在飘带上设置的鼓风兜可有效减小物品包着陆速度并增加投放质量。通过对试验结果分析，计算出单个鼓风兜的阻力特征为0.019 m2，对后续飘带鼓风兜设计有一定的参考价值。

文中设计的飘带遵循了以下几项原则：飘带的尾端有切角，飘带的材料结构均为平纹，飘带的长度大于物品包高度10 倍以上，飘带的首个鼓风兜与物品包的距离是飘带长度的1/3 等。这几项原则的原理机制将是作者未来的研究方向。