超大型组合翼伞开伞性能研究

吴琼 张红英 段非 胡雪鹏

超大型组合翼伞开伞性能研究

吴琼1张红英1段非1胡雪鹏2

（1 南京航空航天大学航空学院，南京 210016）（2 航空工业航宇救生装备有限公司，襄阳 441003）

为深入了解超大型组合翼伞与连续翼伞开伞过程的差异，文章通过数值模拟计算对超大型组合翼伞和连续翼伞的开伞性能进行了对比研究。首先，基于自由曲面变形（Free-Form-Deformation，FFD）理论建立了超大型翼伞的展向折叠模型，然后应用任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）方法对翼伞折叠模型进行了充气过程的流固耦合仿真计算。分析了超大型组合翼伞和连续翼伞充气过程中的伞衣外形、伞衣应力和气室充气规律，深入对比了超大型组合翼伞和连续翼伞的充满时间和开伞动载。研究表明，连续翼伞和组合翼伞的开伞性能差异很小，两者的充满时间相差不大，组合翼伞展开效果更好，动载之差在5%左右。与连续翼伞相比，组合翼伞更易于制造和使用。研究将为超大型翼伞的设计优化提供一定的参考。

超大型组合翼伞 充气展开 自由曲面变形理论 任意拉格朗日-欧拉方法 开伞动载

0 引言

翼伞，相比于传统降落伞，具有高滑翔比、可操纵性强、着陆精准及可靠性强等优势，在航空、航天、民用等领域得到了广泛应用，近些年来更成为国内外研究重点[1]。翼伞最具有代表性的应用是在20世纪90年代，美国对X-38原型机开展了无人驾驶的投放试验[2-4]。他们利用翼伞的减速与滑翔特性，使样机最后安全定点着陆。此次试验成功后，其他各国航天机构纷纷开始加入到翼伞技术的研究与试验中。

翼伞按上下翼面的伞衣是否为连续曲面可以分为连续翼伞与组合翼伞。连续翼伞即常规翼伞，上下翼面的伞衣均为一个连续曲面。组合翼伞上下翼面的伞衣均为非连续曲面，由多个模块组合而成，每个模块包含多个气室，相邻模块的组合方式通过上下翼面设置连接点进行连接，在连接点位置设置连接扣，再通过快卸式连接绳进行连接，以便能够快速固定和分离。

近些年，我国对连续翼伞进行了诸多数值仿真研究。汪龙芳计算了翼伞从自然展开状态到充气鼓包状态的充气过程[5]；聂帅提出了一种基于R-N流体传输的分区耦合迭代方法，用于翼伞展开过程的流固耦合数值模拟[6]；张思宇等人开展了翼伞充气过程中的流固耦合动力学特性研究[7]；陆伟伟等人对某大型翼伞进行了三维定常数值模拟[8]；田似营等人采用流场、结构松耦合方法数值模拟翼伞的充气过程[9]；熊宇超等人通过仿真证明了稳定伞和减速伞可以使火箭助推器稳定减速，为翼伞开伞提供前提条件[10]；王立武通过调研国际上航天器翼伞精确回收领域发展情况并差距分析，初步规划了技术路线，拟通过设计、仿真、试验互相迭代实现关键技术的理论突破[11]。上述研究中，并没有人使用流固耦合方法仿真计算研究组合翼伞的开伞性能。

由于大型连续翼伞具有面积大、质量大的特点，在加工生产、包装使用、回收维护等方面都存在一系列问题。国外已开展大型组合翼伞的探索研究，借鉴常规重装空投系统中群伞设计理念，使用模块组合的方式来进行大型翼伞的设计。美国研制的组合翼伞Megafly成功开伞验证了组合翼伞设计的可行性[12]。Jean-Christophe Berland等人将组合翼伞进行了40次的空投实验[13]。国内杨锋魁对组合翼伞也开展了风洞试验[14]。该思路可以有效解决大型翼伞在加工、使用、维护等方面存在的一系列问题。

从总体上看，国内关于超大型组合翼伞的仿真研究尚属空白，本文建立超大型组合翼伞的流固耦合仿真模型，通过仿真计算与分析，对比分析超大型组合翼伞和超大型连续翼伞的开伞性能，以期为超大型翼伞的优化设计与开伞性能研究提供一定的参考依据。

1 理论基础

1.1 流固耦合控制方程

翼伞展开过程是一个柔性体大变形的流固耦合过程，使用拉格朗日法或欧拉法进行结构运动的描述会导致网格畸变严重，计算终止。任意拉格朗日-欧拉（Arbitrary Lagrang-Euler，ALE）方法结合了拉格朗日法和欧拉法的优点，非常适合对大变形结构的运动进行描述。本文在ALE法基础上采用结构化任意拉格朗日欧拉（Structured Arbitrary Lagrange-Euler，S-ALE）方法进行流固耦合仿真，采用结构化的网格结构，使得单元和节点的连通性更加简单，这将极大简化ALE耦合方法中的搜索算法。

S-ALE方法的流体控制方程由质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成，如下所示：

网格控制方程为

翼伞的结构控制方程为

1.2 翼伞展向折叠方法

翼伞为非展平曲面所构成的多气室-双翼面结构，并且通过开孔的肋片将内部分割成多个气室，正是因为翼伞结构的复杂性，所以无法用常规的折叠方法来建立展向折叠模型。针对这一难点，借鉴计算机进行三维视觉特效的曲面变形的技术，再结合翼伞实际折叠包装的工序，本文提出了基于自由曲面变形（Free-Form-Deformation，FFD）理论的柔性翼伞折叠建模技术。该方法主要是通过控制几何模型移动方向与位移，对曲面进行相应的变形处理，然后再通过齐次坐标法的张量矩阵进行展向的移动与复制等相关变换，从而顺利解决了多气室冲压翼伞柔性伞衣织物的展向折叠建模问题，对进一步基于数值模拟耦合方法开展翼伞充气机制的研究具有重要意义。

图1 FFD六面体控制晶格

翼伞任意一点对应的全局坐标为

Bernstein多项式

2 计算模型

2.1 翼伞几何模型

参考Megafly翼伞的尺寸[12-13]，本文研究的836 m2的翼伞几何模型如图2所示，具体几何参数如表1所示。翼伞肋片材料均采用的是具有大透气性特性的纺织物，将中间气室沿展向的中心面定义为中轴面，于是整具翼伞关于中轴面对称，且伞绳汇交点在中轴面上。翼伞各气室的肋片和左右两侧的伞衣上的伞绳展向均匀分布64排、弦向均匀分布9排，合计576根伞绳；操纵绳左右各有1根，每根操纵绳与9根伞绳相连，这9根伞绳分别连接在除了中间气室以外的侧边气室的所有肋片处。以此几何模型为例，分别对超大型连续翼伞和超大型组合翼伞进行建模仿真。

图2 翼伞结构示意

表1 翼伞的几何参数

2.2 展向折叠模型

进行超大型连续翼伞与超大型组合翼伞开伞过程研究的第一步就是需要进行折叠建模。从几何模型来说，翼伞的上下两翼面是柔性非展平曲面，并且通过开孔的肋片将内部分割成多个气室，正是因为翼伞结构的复杂性，所以无法用常规的折叠方法来建立折叠模型。针对这一难点，本文提出了基于FFD法的柔性翼伞折叠建模技术。该方法主要是通过控制几何模型上移动的方向与位移，将曲面进行相应的变形处理，然后再通过齐次坐标法的张量矩阵进行展向的移动与复制等相关变换，从而顺利解决了多气室冲压翼伞柔性伞衣织物的展向折叠建模问题，对进一步基于数值模拟耦合方法开展翼伞充气机制的研究具有重要意义。

为保证折叠建模的高效性，伞衣折叠过程仅对参与折叠过程的上下翼面和肋片进行操作，再与伞载系统的其他结构合并成完整模型。

翼伞每个气室相同，且每个气室均沿中轴面对称，为了保持各气室网格的一致性，首先建立半个气室模型，再采用对称镜像复制的方法补齐气室。

基于FFD的控制函数，分别进行上翼面和下翼面的折叠。折叠好上下翼面之后，对肋片进行复制后平移到相应的位置上共节点，以保证翼面与肋片之间，翼面与翼面之间是连续的，这样就简单形成了一个气室，再对单一气室进行复制镜像，之后对形成的两个气室进行复制后移动，经过反复的这种操作后，最终便形成如图3所示的单个气室和多个气室，再进行重合点合并连接。

图3 单个气室与多个气室折叠

最后连接上下翼面，并对尾缘进行内嵌处理，形成翼伞完整伞衣结构的展向折叠模型如图4所示。连续翼伞上下翼面的伞衣均为连续曲面，共有63个气室，由62个承载肋片连接上下翼面，如图4（a）和图4（c）所示；而组合翼伞上下翼面的伞衣均为非连续曲面，分为5个模块，中间是一个13气室翼伞，紧接着是两个14气室翼伞，最外端是两个11气室翼伞，共有63个气室，由58个承载肋片连接上下翼面，在连接处上翼面共有11个连接点，其中下翼面有9个连接点，通过连接点将五个模块连接缝合成一个整体，如图4（b）和图4（d）所示。

图4 完整伞衣结构的展向折叠模型

2.3 仿真计算模型

翼伞伞衣折叠模型建立完以后，再添加伞载系统的其他结构并划分网格，合并成完整的仿真计算模型。仿真计算模型如图5所示。伞衣主要分为上翼面、下翼面、肋片（包括承载肋片与非承载肋片）这三个部分，均采用的是四边形的壳单元，伞绳采用的是梁/绳索单元，采用共节点的方式加以连接。整体黄色网格为流场网格，流场域的尺寸为72.8 m×40.4 m×52.4 m，在伞衣面区域对流场网格进行局部加密。采用有限质量方法充气，水平方向速度为17 m/s，竖直方向速度为20 m/s，开伞速度是最大开伞动载的主要影响因素，载荷质量为13 700 kg，载荷的质量会影响翼伞的下降速度。

图5 计算模型网格

3 开伞性能分析

基于软件的S-ALE流固耦合方法，进行同样的材料、算法、边界条件等的关键字设置，数值模拟了超大型连续翼伞和超大型组合翼伞的开伞过程，分别获得了伞衣充气外形、伞衣应力、气室充气规律以及开伞性能。开伞性能主要通过分析开伞时间与开伞动载来探究两种伞型在开伞过程的异同。

3.1 充气外形分析

超大型连续翼伞与组合翼伞充满状态下的外形如图6所示。从图6（a）和图6（b），可以看出与连续翼伞相比，组合翼伞的前缘张开得更充分一些。由于尾缘处于封闭空间，膨胀速率更快，外形也更为饱满；前缘受伞绳的约束作用，导致前缘膨胀程度较弱，且向中间气室方向靠拢。此时上下翼面呈现出凹凸不平的鼓包状态，主要是由于气室内充满气流，上下翼面受到内腔气流压力向气室外侧膨胀，同时又因为上下翼面受到承载肋片的约束，从而在承载肋片与伞衣连接处呈现出向内腔凹陷的外形，故在上下翼面表现为凹凸不平的波浪状；分别对比图6（a）与图6（c）、图6（b）与6（d）发现下翼面向气室外侧的凸出程度相对于上翼面较弱，这是由于下翼面连接有伞绳，受伞绳下拉作用，使得承载肋片向下移动，所以下翼面整体的凸出程度相对较弱。

3.2 伞衣应力分析

经仿真计算，连续翼伞和组合翼伞充气过程的的应力云图如图7所示。在气室充气过程中，翼伞前缘所受的约束较少，前缘切口处存在一定角度，且一直遭受气流吹袭，摆动频繁，0.3 s时连续翼伞和组合翼伞前缘均产生明显的应力集中现象，同时组合翼伞在各缝合接口处也出现应力集中现象，需要在此处适当地增加强度。各气室受内外气流的压力与肋片约束力的共同作用，使得翼面呈现出凹凸不一的外形。由于展向每排的伞绳长度一致，导致伞衣充满状态下下翼面受伞绳拉力成一定弧度的外形。初期伞衣受高压气流吹袭，承受较大气动力，应力峰值大约出现在0.30 s～0.76 s之间。同时受到伞绳的下拉作用，伞衣应力主要集中在承载肋片周边，随着开伞过程阻力面积的增大，0.88 s高压区向四周扩散，伞衣载荷减小。

图6 超大型翼伞充满外形

图7 充气过程伞衣应力云图

3.3 气室充气规律

翼伞前缘、中部、尾缘三部分充气过程的展长变化见图8。连续翼伞和组合翼伞的前缘分别在0.75 s、0.76 s达到展长最大值24.8 m、28.0 m；中部在0.63 s、0.65 s达到展长最大值35.8 m、38.7 m；尾缘在0.58 s、0.57 s达到展长最大值43.0 m、43.3 m。由于伞绳和伞衣自身具有弹性，各部位在充气充满后产生了一定的回弹并伴有气室“鼓包”现象。可以看出由于气流的推动，气体首先进入气室尾部，由于尾缘处于封闭空间，膨胀速率最快，前缘膨胀速率最慢。充满后尾缘的充气效果最佳，气室最饱满。通过对比连续翼伞和组合翼伞的充满时间，发现两者的充满时间相差不大，充满时组合翼伞的展长比连续翼伞的展长更长，组合翼伞展开效果更好。

图8 充气过程的展长变化

图9 开伞动载随时间的变化曲线

3.4 开伞动载对比

图9为连续翼伞和组合翼伞开伞动载的对比情况，从图中可以看出：两种伞形得到的降落伞开伞动载曲线变化较为接近，连续翼伞开伞动载的峰值时间为0.266 s，载荷峰值为570 kN；组合翼伞开伞动载的峰值时间为0.222 s，载荷峰值为542 kN。由于组合翼伞是多块伞衣拼接而成的，伞衣之间存在缝隙，部分气流从缝隙流出未经过伞衣，故组合翼伞相对连续翼伞动载较小一点，动载之差在5%左右。

4 结论

本文对超大型连续翼伞和超大型组合翼伞的折叠充气展开过程进行了数值模拟，研究了超大型组合翼伞的开伞性能，主要得出以下结论：

1）充气外形。连续翼伞和组合翼伞在充满时刻，上下翼面均呈现凹凸不平的鼓包状态，但下翼面整体的凸出程度较弱，这是由于下翼面连接有伞绳，会受到伞绳的下拉作用，承载肋片向下移动。与连续翼伞相比，组合翼伞的前缘张开的更充分一些。

2）伞衣应力。连续翼伞和组合翼伞前缘均产生明显的应力集中现象，同时组合翼伞在各缝合接口处也出现应力集中现象，翼面受伞绳拉力成一定弧度的外形。初期伞衣应力主要集中在承载肋片周边，随着开伞过程阻力面积的增大，高压区向四周扩散，伞衣载荷减小。

3）气室充气规律。由于气流的推动，气体首先进入气室尾部，由于尾缘处于封闭空间，膨胀速率最快，前缘膨胀速率最慢。充满后尾缘的充气效果最佳，气室最饱满。通过对比连续翼伞和组合翼伞的充满时间，发现两者的充满时间相差不大，充满时组合翼伞的展长比连续翼伞的展长更长，因此组合翼伞展开效果更好。

4）开伞性能。连续翼伞和组合翼伞的开伞性能差别很小，充满时间相差不大，组合翼伞开伞动载相对较小一点，动载之差在5%左右。这是由于组合翼伞是多块伞衣拼接而成的，伞衣之间存在缝隙，部分气流从缝隙流出未经过伞衣。

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Research on Opening Performance of Super Large Combined Parafoil

WU Qiong1ZHANG Hongying1DUAN Fei1HU Xuepeng2

（1 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China）（2 AVIC Aerospace Life-Support Industries Ltd., Xiangyang 441003, China）

In order to understand the difference of opening process between super large combined parafoil and continuous parafoil, the opening performance of super large combined parafoil and continuous parafoil in the process of inflation is studied and analyzed through numerical simulation. Firstly, the span-folding model of super large parafoil is established based on Free-Form-Deformation (FFD) theory, and then the inflatable expansion of the airfoil model is simulated with the Arbitrary Lagrangian Euler (ALE) method. The full shape, load distribution and flow field variation of super large combined and continuous parachutes in the process of inflation are analyzed. The filling time and opening dynamic load of super large combined and continuous parafoil are compared and analyzed deeply. The difference in opening performance between continuous parafoil and combined parafoil is very small, there is little difference in the filling time between the two types of parafoils, expansion effect is equivalent, and the difference of opening load is about 3%. Compared with the continuous parafoil, the combined parafoil is easier to manufacture and use. The above research will provide a certain reference for the design and optimization of super large parafoil.

super large combined parafoil; inflation; Free-Form-Deform (FFD) theory; Arbitrary Lagrange-Euler (ALE); opening dynamic load

V244.21+6

A

1009-8518(2023)05-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.001

吴琼，女，1998年生，2021年获河南理工大学工程力学专业学士学位，现在南京航空航天大学工程力学专业攻读硕士学位。主要研究方向为流固耦合力学。E-mail：1335294618@qq.com。

2022-08-25

航空科学基金（20200029052004）

吴琼, 张红英, 段非, 等. 超大型组合翼伞开伞性能研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(5): 1-10.

WU Qiong, ZHANG Hongying, DUAN Fei, et al. Research on Opening Performance of Super Large Combined Parafoil[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 1-10. (in Chinese)

（编辑：陈艳霞）