不同地面条件重装空投气囊着陆缓冲过程数值分析

2022-02-22连伟欣侯斌孙建红王从磊张彤

航空工程进展 2022年1期

关键词：气囊刚性工况

连伟欣，侯斌，孙建红，2，王从磊，张彤

（1.南京航空航天大学飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部实验室，南京 210016）

（2.南京航空航天大学宏光空降空投联合技术中心，南京 210016）

（3.航空工业宏光空降装备有限公司，南京 210022）

0 引言

空投是指使用降落伞、制动火箭、缓冲气囊等装置将物资投放至指定位置的一种空中投送技术，具有精准安全等特点，在现代战争、军事演练及抗震救灾中应用广泛。空投的工作过程一般分为：运输机引导伞拉出阶段、伞绳拉直阶段、主伞充气阶段、稳定下降阶段以及着陆缓冲阶段。桂冰颖研究了货物在牵引伞作用下沿舱内轨道滑动时对飞机姿态的影响，建立了机—货二体系统动力学模型；张恒铭等建立了货物连续出舱分析模型用于研究货物连续出舱对飞机姿态的影响；李智针对运输机超低空空投时大气扰动现象提出了扰动补偿控制法；冯传奇等采用任意拉格朗日—欧拉（Arbitrary Lagrange-Euler，简称ALE）有限元方法对某型重装空投降落伞的充气过程进行了研究；汤健华建立了车载炮空投系统的主伞拉直、充气、稳定阶段的动力学模型；K. J. Desa⁃brais 等对某型冲压空气降落伞进行了风洞和空投试验，建立了降落伞空气动力学性能与织物透气性之间的关系。目前国内外一般采用数值模拟的方法对空投的着陆缓冲性能进行研究。

国内外研究人员对不同着陆环境下空投着陆缓冲过程进行了大量数值研究。厉尚书对空投鱼雷入水进行了数值模拟研究，探究了空投鱼雷材料、入水速度对空投鱼雷冲击响应的影响；赵庆新等对波浪条件下空投自主式水下运载器低速入水进行了研究，指出波浪环境下运载器受力大于静水环境，同时还研究了波浪参数、风速、空投入水姿态对空投运载器入水冲击性能的影响；王一波等使用控制体积法（Control Volume，简称CV）研究了小型电子设备着陆缓冲气囊冲击刚性地面的过程；唐晓慧等在刚性地面假设下对空投系统气囊缓冲过程及货台与地面的碰撞过程进行了理论推导，探究了地面摩擦力对具有侧向速度的空投系统稳定性的影响；A.Taylor 等结合土壤地面探索了重装空投安全气囊冲击衰减系统的适用性；王新春研究了横风干扰和着陆地面弹塑性对空投车载火箭炮着陆过程的影响，其所选用的地面模型为实砂土地面；吴磊使用了包括粉土、强风化粉砂岩以及中风化砂岩在内的三种地面材料对重型空投装备的着陆过程进行了分析；E.Fasanella 等开发了可用于外太空星球探测器着陆过程研究的软土有限元模型；Chen Jin⁃bao 等研究了月球土壤变形对月球探测器着陆过程稳定性的影响。国内外针对超大型或者重型装备空投的数值研究一般基于刚性地面假设，这与空投复杂的工作环境不甚相符，国内外对复杂环境下空投着陆性能研究的需求越来越迫切，但这方面的研究并不充分。

基于对复杂环境下空投着陆性能的研究需求，本文针对不同着陆环境，重点研究弹塑性土壤地面和刚性地面下空投系统的冲击性能，分析土壤地面下不同速度对空投系统冲击性能的影响，以期为重装空投试验提供一定的理论参考和技术支撑。

1 计算方法与验证

1.1 计算方法

本文采用CV 法模拟空投系统中气囊的缓冲过程。假定囊内气体为理想气体且压力、温度均匀分布，并忽略气囊内外的热量交换。气囊内部气体方程：

式中：为气囊内部气体压力；为气囊内部气体密度；为比内能；为气囊体积；下标和+1 表示气囊内部气体变化前后的状态；为气体绝热常数。

土壤模型为ANSYS/LS-DYNA 模块提供的MATl47（MAT_FHWA_SOIL）材料模型，同时采用该模块提供的接触算法，该模型考虑了土壤的孔隙率应变硬化以及应变软化等问题。土壤模型的主要材料参数如表1 所示。

表1 土壤模型的主要材料参数［17-18］Table 1 Material parameters of soil model［17-18］

1.2 算例验证

采用文献［21］中缓冲气囊的室内跌落试验对仿真建模方法进行验证。配重平台质量为435 kg，网格大小为0.02 m。气囊和地面均为壳单元，刚性地面固定不动。

计算工况：竖直着陆初速度为6 m/s，大气压力为101.325 kPa，气囊初始表压为0.54 kPa。试验数据与仿真结果对比如图1 所示，可以看出：过载峰值出现的时刻差异很小，两条曲线趋势一致，证明数值方法可以满足要求。

图1 试验数据与仿真结果对比Fig.1 Experimental data and simulation results

2 地面条件对冲击性能的影响

2.1 计算模型

本文的空投系统结构示意图如图2 所示，其有限元模型如图3（a）所示，刚性地面和土壤地面的有限元模型分别如图3（b）和图3（c）所示。土壤模型网格加密示意图如图4 所示，加密区域的网格大小为0.04 m，网格向其他方向渐疏，土壤模型非撞击的五个表面的边界条件为无反射边界条件。货物的质量为7 190 kg，货台的质量为1 500 kg，货物和货台刚性连接。六个圆柱体气囊的上层黏合于各自对应的上、下垫板，圆柱气囊周向均匀分布六个排气口，位置如图5 所示。

图2 空投模型结构示意图Fig.2 Airdrop model

图3 空投系统的有限元模型Fig.3 Finite element models of airdrop

图4 土壤模型网格加密示意图Fig.4 Schematic diagram of grid densification of soil model

图5 气囊编号及排气孔位置示意图Fig.5 Airbag number and vent position

2.2 地面模型与横风影响

首先选取刚性地面和土壤地面探究不同地面模型对空投系统着陆缓冲性能的影响。分两种工况对空投系统的缓冲性能进行研究，具体分析工况如表2 所示。

（1）竖直着陆冲击：空投系统着陆于地面，竖直着陆速度v=8 m/s，无横风。

（2）前倾着陆冲击：空投系统着陆于地面，竖直着陆速度v=8 m/s，横向风速v=4 m/s，方向为轴正向。

表2 不同地面模型及工况列表Table 2 Working conditions list

竖直着陆、前倾着陆冲击工况下，刚性地面模型与土壤地面模型不同时刻空投系统姿态对比如图6～图7 所示。空投系统撞击地面的过程可分为气囊接地缓冲阶段、首次撞击地面阶段、首次回弹阶段、衰减撞击与回弹阶段，静止状态。

图6 竖直着陆冲击时刚体地面（上）与土壤地面（下）空投系统姿态对比Fig.6 Vertical landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

图7 前倾着陆冲击时刚体地面（上）与土壤地面（下）空投系统姿态对比Fig.7 Forward landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

两种地面模型下货物竖直方向过载对比及局部放大图如图8 所示。两种地面模型下货物竖直方向速度对比及局部放大图如图9 所示。两种地面模型下货物旋转角度（绕轴顺时针旋转为正）和1 号气囊压力对比图分别如图10～图11 所示。

图8 两种地面状态下货物竖向过载对比Fig.8 Vertical overload comparison of cargo between two ground model

图9 两种地面状态下货物竖向速度对比Fig.9 Vertical velocity comparison of cargo between two ground model

图10 货物旋转角度对比Fig.10 Rotation angle comparison of cargo between two ground model

图11 1 号气囊压力对比Fig.11 Pressure comparison of airbag 1 between two ground model

气囊接地缓冲阶段货台只受来自气囊的力，以1 号气囊为例（图11），在该时间段内由于刚性下垫板撞击地面时剧烈回弹而导致刚性地面下气囊压力大于土壤地面下气囊的压力，最终导致两种典型工况下货台撞击刚性地面的时刻晚于撞击土壤地面的时刻，且刚性地面下货物撞击地面时的竖向速度小于土壤地面的竖向速度。初始竖向速度相同时，横风影响下货物和货台会因气囊的拉力和支持力而发生偏转（图7（c）），更早撞击地面。

货台撞击地面时进入首次撞击地面阶段，货物竖直方向的过载迅速增大。刚性地面与土壤地面两种典型工况下空投系统重要参数对比如表3所示，可以看出：虽然货台撞击土壤地面时的竖向速度大于撞击刚性地面时的竖向速度，但土壤地面的变形效应（如图12 所示）使得竖直冲击时，土壤地面下货物的峰值过载与刚性地面下货物的竖直方向最大过载差异不大（5.26%）；横风影响下，土壤地面下货物的竖直方向最大过载小于刚性地面下的最大过载，差异为21.54%。