基于拉直速度基准的救生伞高速空投试验条件的确定

程子强 张鑫华 张龙臻

摘要：救生伞作为飞行员生命保障的关键装备，在其研制时需要进行大量的边界工况空投试验，而救生伞高速空投试验的开伞载荷数据不易准确获取，从而影响救生伞性能的真实评价。本文通过对国内救生伞高速空投试验的现状分析，提出了以拉直速度代替开伞速度作为救生伞高速空投试验基准的新方法，结合数据分析和仿真计算，得到不同试验方法下开伞—拉直过程伞系统速度衰减值，据此确定不同试验方法救生伞高速空投試验条件。本研究旨在提高我国救生伞产品性能验证的准确性，进而提高飞行员的安全救生能力。

关键词：降落伞；气动特性；拉直速度；载荷；试验

中图分类号：V244.21+6文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.007

随着现代战机超声速巡航、高机动飞行性能的提高，救生系统的救生包线扩大。救生伞在高速开伞条件下会产生巨大开伞载荷[1]，若超出人体耐受极限则会对飞行员生命构成严重威胁，我国军标对人体脊柱方向耐受的开伞载荷有严格规定[2]，因此，在救生伞研制中需对开伞载荷指标进行重点考核。

降落伞工作过程具有大变形、非线性、强流固耦合特征[3-4]，充气展开需要很大的空间，因此其性能验证受试验方法、试验环境条件影响较大[5]，试验测试数据波动大，需要大量试验数据才能获得救生伞真实性能[6-7]。

在救生伞的性能验证中，弹射试验获得的数据较为准确，但由于受试验数量及试验高度限制无法作为救生伞开伞载荷验证的常规手段。目前，我国通常采用飞机高速空投假人（佩挂有救生伞的人伞系统）试验方法，但由于假人姿态的不稳定性，造成开伞载荷试验数据失真严重[8]。由此，我国拟在救生伞开伞载荷测量中使用空投试验弹的新方法以解决载体姿态对试验数据的影响。由于试验弹阻力特征较假人小，若仍以开伞速度作为基准试验条件，则投放后速度衰减小而导致拉直速度较假人方式大，因开伞载荷与拉直速度直接相关（见本文第2节分析），故带来过分考核的问题，因此需要研究确定拉直速度基准下的试验条件（开伞速度）。

1救生伞高速试验现状分析

救生伞的高速试验用于极限工况下开伞载荷及伞系统强度的考核，我国主要采用以下几种方法。

1.1座椅弹射试验

座椅弹射试验是将弹射座椅固定于模拟座舱内，在火箭橇滑轨上将模拟座舱加速到规定速度，按照弹射座椅规定的工作程序：射出救生伞—救生伞拉直—充气张满—携带飞行员（假人）安全着陆，光测设备获得系统轨迹、速度、加速度等参数，电测设备（安装在假人胸腔内的过载传感器）获得救生伞开伞载荷。该方法以规定的开伞速度为基准设置试验条件，结果最为真实，最贴近实际使用工况。

座椅弹射试验特别是高速弹射试验成本高、试验样本量少，试验数据不足以获取救生伞的固有特性，同时由于弹射试验一般在地面进行，无法考核救生伞的高空开伞特性。

1.2飞机空投假人试验

飞机空投假人试验通过采用飞机悬挂伞/假人系统，将救生伞开伞速度（开包速度）作为基准，以规定速度/高度投放。利用GPS测速设备，对飞机空投过程中的救生伞离机速度进行测试；救生伞操纵带上安装力传感器，对空投过程中操纵带受力情况进行测试；假人胸腔质心位置安装过载传感器以测量空投过程中开伞过载。试验场景如图1、图2所示。

空投假人试验中常以胸腔过载模拟人体脊柱方向所受开伞冲击载荷。假人在高空投放时受载机尾流及假人形状影响会出现不规律的翻滚现象，导致假人角速度较大。为研究假人姿态对开伞载荷的影响，本文进行了高速空投试验，试验表明，在相同开伞速度条件下，开伞载荷与角速度（合成值）呈明显的正相关关系，见表1与图3。初步分析认为假人因角速度产生的旋转向心力与救生伞开伞载荷产生了叠加效应。

同时，根据试验中测得的开伞过载及角速度随时间变化曲线（见图4）可以看出，开伞过载与角速度曲线规律一致，开伞过载的峰值时间与角速度峰值时间非常接近（如图4均在1.5s处），再次说明救生伞开伞过程中，开伞过载受到了角速度的影响。

综上分析，受假人姿态影响，飞机高速空投假人试验测量的救生伞开伞载荷存在附加因素。国内多位学者针对减少假人翻滚对试验结果影响进行了相关研究，如刘丹阳等采用小波熵对试验数据和仿真数据进行对比分析，通过研究飞机空投假人试验中试验数据的处理方法以减小假人姿态对试验数据的影响[9-10]。但目前研究尚不能给予空投假人试验数据合理的修正。

1.3试验弹空投试验

为消除空投试验假人不稳定性对测试数据的影响，我们开展了空投试验弹方法的研究。试验弹空投试验采用飞机外挂试验弹（救生伞安装在弹舱内）进行空投的方式，该方法试验载体稳定性好，能够很大程度地避免假人空投时因姿态不好产生的三向角速度对试验结果的不利影响，同时试验成本较弹射试验低，且试验环境接近真实工况。空投试验弹的空中姿态如图5所示。

常规的弹射试验和假人空投试验均以救生伞开伞速度/开伞高度指标确定试验边界条件，考核开伞载荷性能。因两者前置体均为假人，阻力特征相当，则开伞—拉直过程速度衰减量相当，又因开伞载荷与拉直速度直接相关（与开伞速度间接相关），因而可认为两种试验方法测得的开伞载荷数据基本一致。

对试验弹空投试验来说，其前置体为流线形低阻弹体，阻力特征为0.2m2，较假人的0.46m2小，在开伞—拉直过程中速度衰减量较小，即在相同开伞速度条件下其拉直速度较大，因而测得的开伞载荷较大，导致数据超标。因此，试验弹试验必须保持与其他试验方式中拉直速度的一致才能达到更真实的开伞载荷模拟。

2救生伞开伞载荷理论分析

由式（1）可知，在其他條件确定的前提下，降落伞最大开伞动载与拉直速度的平方成正比例关系。因此空投试验中应该以系统拉直速度VL来计算最大开伞载荷，在相同条件下，救生伞系统拉直速度VL为衡量救生伞最大开伞载荷大小的直接依据。

目前我国救生伞高速空投试验使用开伞速度作为基准设置试验条件，不利于对救生伞性能的准确考量，而试验弹空投试验方法更加凸显了这一矛盾。救生伞空投试验中，要获得更加准确的开伞过载数据，其拉直速度应与弹射试验的拉直速度相统一，因此需分析救生伞在各试验方法下开伞—拉直过程速度衰减，确定以拉直速度为基准的试验条件。

3不同试验方法开伞—拉直过程速度衰减分析

3.1座椅弹射试验

3.1.1试验数据分析

在6次高速弹射试验中设定理论开伞速度为650km/h，试验结果见表2。

由表2可知，实际测得的开伞速度在590 ～710km/h的范围内，速度衰减在100～125km/h范围内，速度衰减数据虽有波动，但变化不大（考虑到救生伞试验数据具有波动大的特点，平均值更能反映其固有特性），速度衰减均值为116.3km/h，速度衰减了大约18%。

3.1.2仿真分析

为研究不同海拔高度开伞时的速度衰减，进行了仿真计算。在海拔高度0、4000m、7000m及设定开伞速度条件下，仿真结果见表3。

由表3仿真数据可知，在开伞速度648.4km/h、海拔高度为0条件下，从射伞到系统拉直人椅系统速度衰减115.6km/h；实际弹射试验时开伞速度641.1km/h、海拔高度为134m（空气密度与仿真计算0高度开伞条件差距极小），速度衰减均值为116.3km/h，仿真计算结果符合性较好；将仿真计算与弹射试验数据进行对比分析，使用最小二乘法绘制拟合曲线（见图6），表明仿真结果与试验数据相吻合。随着海拔高度的升高，空气密度减小，人椅系统加速度减小，射伞至拉直过程速度衰减量减小，仿真结果满足式（1）。综上，可以证明仿真计算结果具有一定工程应用参考意义。

3.2空投假人试验

以同型救生伞（与弹射试验用伞相同）在海拔500m条件下的空投假人试验为例，试验结果见表4。

表4中数据显示，以空投假人方式进行高速开伞载荷试验，救生伞从打开伞包到伞系统拉直速度（均值）衰减约94.25km/h（或16%），与弹射试验相比，速度衰减比率基本相当，衰减值稍小，因空投用假人为无四肢的躯干假人、而弹射用假人拥有四肢，两者阻力特征有所不同而导致，同时也与试验海拔高度、开伞速度等因素影响有关[13]。

3.3空投试验弹试验

同一伞型救生伞，在海拔4000m进行空投试验弹试验，试验结果见表5。由表5可以看出，试验弹空投试验中救生伞的开伞速度到拉直速度的速度衰减很小，在10km/h左右（或衰减2%左右），主要是由于试验弹的阻力特征小，开伞至拉直过程中救生伞系统加速度很小[14]。因此依1.3节所述，需要依据基准拉直速度及速度衰减量确定开伞速度。

4不同空投试验方法开伞条件的确定

4.1试验条件基准的确定

根据前述分析，高速空投试验若与弹射试验一样使用开伞速度作为基准开伞条件不利于救生伞高速开伞性能的准确获取。根据第2节的分析，在其他固有条件确定的前提下，降落伞最大开伞载荷与拉直速度的平方成正比例关系，而与开伞速度没有直接联系，用拉直速度代替开伞速度作为救生伞高速开伞试验条件的基准有利于提高试验数据准确性。

4.2试验方法基准的确定

对弹射式救生伞来说，座椅弹射试验是最接近真实工况的试验。因此，为保证空投试验方法获得的结果具有一致性，应以座椅弹射试验的拉直速度作为基础。由于地面空气密度等环境条件与真实工况下的高空环境有所差异，这种差异会导致开伞过载等试验结果不准确[15]，故应在设置试验条件时辅以仿真计算得到更准确的数据。

4.3高速空投试验条件的确定

利用式（2）、式（3）及前述数据，以考核救生伞开伞速度650km/h、开伞高度4000m指标的空投试验弹试验为例（？V为9km/h， Vk为650km/h，？Vt为83.5km/h），其修正后的试验条件为：开伞速度575.5km/h、开伞高度4000m。同理可以获得其他空投方法不同投放高度的试验条件，该方法将在后续空投试验中进一步检验。需要说明的是，此计算案例为原理性展示，由于文中试验数据及仿真计算工况的局限，具体数据需在深入分析、计算的基础上得出。

5结束语

通过对救生伞高速空投试验方法及拉直速度差异分析，为避免过分考核，本文通过弹射试验、高空空投试验和试验弹试验等相关数据以及仿真分析，对救生伞高速空投试验条件设置基准进行了分析，分析发现救生伞高速空投试验条件以拉直速度为基准进行设置可以使试验结果更接近产品本身固有特性；具体设置方法是开伞速度等于基准拉直速度加上该试验方法下开伞—拉直过程速度衰减量。

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（責任编辑皮卫东）

作者简介

程子强（1995-）男，学士，设计员。主要研究方向：降落伞。Tel：13147158407

E-mail：492772856@qq.com

张鑫华（1978-）男，学士，高级工程师。主要研究方向：人用降落伞。

Tel：13995791655

E-mail：ali_zxh@163.com

张龙臻（1965-）男，学士，研究员。主要研究方向：防护救生。

Tel：13797563439E-mail：13797563439@139.com

Determination of Test Conditions for High Velocity Drop of Emergency Parachutes Based on Deployment Speed Datum

Cheng Ziqiang，Zhang Xinhua，Zhang Longzhen*

AVIC Aerospace Life-support Industries，LTD.，Xiangyang 441003，China

Abstract： As the key equipment for the life support of pilots， a large number of boundary condition air drop tests are needed in the development of the emergency parachute. However， it is difficult to accurately obtain the opening shock data of the emergency parachute in high velocity drop test， thus affecting the real evaluation of the emergency parachute performance. This paper analyzes the present situation of the domestic high velocity drop test， aiming to replace opening speed by deployment speed as a new method of emergency parachute high velocity drop test datum. Through data analysis and simulation calculation， the speed attenuation value of the emergency parachute system in the process of opening and straightening under different test methods is obtained， and the test conditions for the high velocity drop of emergency parachutes of different test methods are determined accordingly. The new method improves the accuracy of high velocity performance verification of emergency parachute products in China， which is of great significance to the development of emergency parachute products.

Key Words： parachute； aerodynamic characteristics； deployment speed； load； test