林斌 吳卓

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

降落傘的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計，是以最大開傘動載為依據(jù)。為了減小開傘動載，設(shè)計人員采用控制展開傘衣阻力面積的方法獲得了顯著的成效。

雖然采用多級降落傘系統(tǒng)也可以控制最大開傘動載，但由于采用多級開傘工作程序復(fù)雜，單點失效環(huán)節(jié)增多，有時布局安排也受到限制，而且拋掉的減速傘不再發(fā)揮減速作用，阻力效率不高，因此不是理想的候選方案。

為控制傘衣阻力面積，研究人員提出了多種方案[1]，諸如傘衣頂孔下拉和采用中心控制繩無級收口等方法，由于機(jī)構(gòu)復(fù)雜，工程應(yīng)用不容易實現(xiàn)，所以未被采納。目前得到廣泛使用的是傘衣底邊收口裝置，本文對該裝置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 工作原理

在每個傘衣幅底邊裝上1個收口環(huán)，并在傘衣底邊安裝數(shù)個收口繩切割器。用1根繩子穿過每個收口環(huán)和收口繩切割器穿繩孔，收攏到某一程度，兩端結(jié)牢，使傘衣展開后呈收縮狀態(tài)，如圖1所示。圖中DV為傘衣頂孔直徑；DR為收口繩圈外接圓的直徑。傘繩拉直瞬間，借用拉直力，通過旁系支繩，啟動收口繩切割器擊發(fā)裝置，按預(yù)定的延遲時間，切割器把繩子切斷，解除傘衣狀態(tài)，然后完全充滿。為可靠起見，每道收口一般采用2至3個切割器，只要其中1個工作，即可解除傘衣收口。

圖1 降落傘底邊收口Fig.1 Parachute skirt reefing

3 組成

降落傘收口裝置主要由收口繩、收口環(huán)和收口繩切割器組成。

3.1 收口環(huán)

收口環(huán)用于承受收口繩的張力。收口環(huán)的橫截面為矩形，要求邊緣倒圓、光滑。矩形截面在連接處具有較大的接觸面，并使收口繩在收口環(huán)和傘衣底邊之間不發(fā)生纏結(jié)現(xiàn)象。如果沒有特殊要求，可選用標(biāo)準(zhǔn)件。

3.2 收口繩切割器

收口繩切割器為延遲解除收口的裝置。它是利用火藥燃燒的動力推動切割刀，切斷收口繩來實現(xiàn)的。在國外，收口繩切割器的品種繁多[2]，不論是外形結(jié)構(gòu)、擊發(fā)裝置、延遲時間和穿繩孔大小等，都有很大區(qū)別，各種典型的收口繩切割見圖2。而國內(nèi)使用的收口繩切割器品種比較單一，常用的是HGQ1-01A收口繩切割器。 見圖 2（a）。如果按延遲時間分，有 2s、3s、5s、8s和 10s等規(guī)格。

圖2（b）、圖 2（c）、圖 2（d）分別為水星和雙子星座、阿波羅[3]、SRB的降落傘使用的收口繩切割器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 各種典型的收口繩切割器Fig.2 Various typical reefing line cutters

上述4種典型收口繩切割器的結(jié)構(gòu)特點，見表1。

表1 各種收口繩切割器的結(jié)構(gòu)特點比較Tab.1 Characteristics comparison among various reefing line cutter

3.3 收口繩

根據(jù)收口繩所承受的載荷，可從標(biāo)準(zhǔn)的繩、帶中選用適合的產(chǎn)品。最好選擇編織緊密，伸長率較低的材料。收口繩乃是關(guān)鍵件，由于收口繩載荷分析不太精確，而且受力不均，加上高速滑動摩擦容易受損，所以安全系數(shù)應(yīng)取3以上。

4 安裝固定

收口裝置在傘衣底邊的安裝，其位置和安裝固定方式有所不同。

4.1 收口環(huán)安裝固定

收口環(huán)安裝的位置有4種。

第一種，收口環(huán)安置在傘繩連接處的內(nèi)底邊，見圖3。這是通常使用的方式。

圖3 收口環(huán)在傘衣內(nèi)底邊固定方式Fig.3 Reefing ring installation method in parachute skirt

第二種，收口環(huán)安置在每一傘衣幅底邊中心內(nèi)側(cè)，稱為幅中收口。幅中收口的出發(fā)點是使傘衣底邊形成雙倍的制約點，減低收口傘衣未充氣部分的飄蕩和抖震，提高進(jìn)氣口面積的均勻度。圖4為傘繩連接處收口與幅中收口比較。圖中，A為收口環(huán)固定點；B為傘繩連接點。

圖4 傘繩連接處收口與幅中收口比較Fig.4 Comparison between reefing in line joint and mid-gore reefing

對多傘系統(tǒng)而言，幅中收口能使各傘充氣過程比較均勻，收口阻力面積變化更加一致，可改善多傘系統(tǒng)開傘的同步性。“阿波羅”主傘就是采用這種收口方式。幅中收口對于給定收口比的收口阻力面積稍有偏大。帶條傘應(yīng)避免采用幅中收口，因為在傘衣初始充氣時，將起到抵消收邊帶的作用。

第三種，將收口環(huán)安置在每根傘繩上端。這種方法適用于帶型傘繩的多級收口。其安裝固定和穿收口繩的操作相對比較方便。圖5為“戰(zhàn)神”I主傘收口環(huán)的安裝固定照片[4]。

圖5 “戰(zhàn)神”I主傘收口環(huán)在傘繩上的固定方式Fig.5 AresⅠmain parachute reefing ring retainer design in line

第四種，收口環(huán)從傘衣內(nèi)底邊沿徑向帶分布，X-38的減速傘是采用這種方法。

收口環(huán)固定，通常采用短帶通過縫紉將其固定在傘衣底邊、傘繩或徑向帶上。

4.2 收口繩切割器安裝固定

4.2.1 收口繩切割器安裝

收口繩切割器安裝方式有兩種：正裝和倒裝。

正裝，即穿繩孔在上，擊發(fā)裝置在下。擊發(fā)裝置的拉繩下端系在傘繩上，如圖6所示。這種安裝方式，連接擊發(fā)裝置的拉繩比較方便，但靠近傘衣底邊的傘繩比較零亂。

圖6 收口繩切割器正裝示意圖Fig.6 Front view of reefing cutter installation

倒裝，即穿繩孔在下，擊發(fā)裝置在上。擊發(fā)裝置的拉繩下端系在徑向帶上，如圖7所示。這種安裝方式，傘繩比較整齊。切割器先拉直后擊發(fā)，工作可靠性高。但包傘過程必須小心謹(jǐn)慎，防止擊發(fā)拉繩位移，產(chǎn)生誤動作現(xiàn)象?！皯?zhàn)神”I-X火箭降落傘系統(tǒng)空投試驗，之前意外拉動收口繩切割器，導(dǎo)致收口繩切割器還在傘包內(nèi)時就提前觸發(fā)工作，致使試驗遭受失敗[3]。后來經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計，延長了保護(hù)套管，將收口繩切割器拉繩全都包裹在套管內(nèi)，見圖8，這樣就能夠有效避免在降落傘打開之前拉繩意外拉動切割器。

圖7 收口繩切割器倒裝視圖Fig.7 Bottom view of reefing cutter installation

圖8 切割器改進(jìn)安裝設(shè)計Fig.8 Improved reefing cutter installation

4.2.2 收口繩切割器固定

收口繩切割器的固定方式，通常有兩種。

一種是用帆布做成套管，預(yù)先縫在傘衣內(nèi)底邊。切割器裝入套管后，在套管橫向再用縫線將切割器繞扎縫固。這種固定方式比較輕便，但包傘周期較長，需要熟練的縫紉工操作。

另一種是通過帶有套管的金屬底座，如圖9所示，預(yù)先與傘衣底邊連接。切割器裝入套管后，在套管橫向的凹槽處，用金屬夾箍將切割器固定。這種固定方式操作簡便，包傘周期短，適合于戰(zhàn)備需求，但增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

圖9 切割器底座Fig.9 Cutter mounting bracket

5 主要參數(shù)的確定

5.1 收口比與阻力面積比關(guān)系曲線

傘衣收口程度以收口比和收口阻力面積比來表示。

收口比定義為收口繩圈直徑與傘衣名義直徑之比，用δ表示，即：δ=Dsk/D0。式中DSK為收口繩有效長度構(gòu)成繩圈的直徑；D0為傘衣名義直徑。

阻力面積比定義為傘衣收口狀態(tài)阻力面積（CA）sk與完全張滿傘衣阻力面積（CA）0之比，用ε表示。即：ε=（CA）sk/（CA）0。

各種不同類型降落傘的阻力面積比隨收口比的變化關(guān)系，是從風(fēng)洞試驗中獲得。圖10為幾種典型降落傘的阻力面積比隨收口比的變化關(guān)系曲線。

圖10 收口比與阻力面積比的關(guān)系Fig.10 Parachutes drag area ratio vs reefing ratio

試驗表明，收口比小于6%，有些傘會出現(xiàn)諸如甩動、喘震、縮癟等充氣異?，F(xiàn)象，因此收口比不宜選取太小。

5.2 收口比和延期時間的確定

根據(jù)開傘條件和技術(shù)要求，初選出各級降落傘的收口比和延遲時間參數(shù)，通過彈道和各級最大開傘動載的計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析比較，判斷降落傘收口狀態(tài)達(dá)到平衡速度所需的時間，以及各級最大開傘動載存在的差距。然后調(diào)整輸入?yún)?shù)重復(fù)計算，再確定各級收口比和延遲時間。理想的設(shè)計，各級最大開傘動載應(yīng)接近于等值，工作程序盡可能緊湊。最終要以空投試驗實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，驗證計算結(jié)果是否正確。如果試驗結(jié)果不太滿意，可適當(dāng)調(diào)整收口比參數(shù)，重復(fù)計算，終將達(dá)到期望的結(jié)果。

5.3 收口繩有效長度和收口阻力面積的計算

收口比確定后，收口繩的有效長度必須通過計算獲得。

從圖8中可見，由收口繩所構(gòu)成的繩圈，近似于正多邊形的邊長，而不是圓周。正多邊形的邊數(shù)與傘繩數(shù)相等。傘繩數(shù)愈少，則其邊長與外接圓的周長差距愈大。傘繩數(shù)愈多，其邊長愈接近于外接圓的周長。由此可見，傘繩數(shù)n對收口繩圈的長度影響予以修正。

傘衣完全充滿底邊直徑DRO大小，受傘型、傘衣幅數(shù)、傘衣結(jié)構(gòu)透氣量和傘繩長度等諸多因素的影響。其中，DRO為阻力面積比為1時的收口繩圈直徑。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提供的不同傘型DRO/DO，均值列于表2。

表2 不同傘型的DRO/DOTab.2 DRO/DO of different type parachutes

根據(jù)各種傘型風(fēng)洞試驗所得到的關(guān)系曲線，可查找到相關(guān)數(shù)據(jù)對收口繩有效長度進(jìn)行計算。

本文以平面圓形傘為例，對其收口繩有效長度的計算如下：

圖11為傘衣幅數(shù)（與傘繩數(shù)相等）n與DRO/DO比的關(guān)系曲線。傘衣充滿底邊直徑選取DRO=0.66DO。

圖11 傘衣幅數(shù)與DRO/DO比值關(guān)系曲線Fig.11 DRO/DOratio vs gore number

傘衣名義直徑DO為已知值。根據(jù)傘繩數(shù)n，由圖11查得DRO/DO值?？伤愠鯠RO值。

根據(jù)選定的阻力面積比[CA]sk/[CA]O，由圖12查得Dsk/DRO比值?？伤愠鯠sk值。收口繩圈的長度LSK= DSK。

圖12 收口阻力面積比與收口直徑比關(guān)系曲線Fig.12 Drag area ratio vs reefing diameter ratio

如果先選定收口比Dsk/DO，由圖11查得DRO/DO值，算出DRO值，并計算出Dsk/DRO比值。再從圖12查得阻力面積比[CA]RO/[CA]O，就可算出收口阻力面積[CA]sk值。

據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，圖11所給的數(shù)據(jù)已經(jīng)過試驗驗證，適用于各類平面圓形傘。

如果收口環(huán)安裝在傘繩或徑向帶上，因位置不同，根據(jù)幾何關(guān)系，對收口比會有影響。因為風(fēng)洞試驗是以底邊收口為基準(zhǔn)，因此應(yīng)予以修正。降落傘收口繩安裝位置，見圖13。

圖13 降落傘收口繩安裝位置示意圖Fig.13 Schematic of parachute reefing line installation

5.4 收口環(huán)與收口繩受力分析計算

考慮到收口環(huán)、收口繩和固定帶的設(shè)計合理性與結(jié)構(gòu)的可靠性，必須對其受力情況進(jìn)行分析計算。降落傘收口環(huán)與收口繩受力圖，見圖14。

圖14（a）為收口環(huán)在垂直剖面的受力圖[5]。

圖14 降落傘收口環(huán)與收口繩受力圖Fig.14 Diagram of forces on reefing ring and reefing line of parachute

從圖中可見，作用在收口環(huán)上的水平方向分力Fskh，按方程式（1）計算：

式中 β為傘繩與中垂線的夾角；φ為徑向帶作用力方向與垂線的夾角；Fjd為徑向帶作用在收口環(huán)上的水平方向分力。

Fjd按式（2）計算：

式中 Fsh為傘繩作用在收口環(huán)上的水平方向分力。

Fsh按式（3）計算：

式中 Fdmax為最大開傘動載。

收口環(huán)與收口繩在水平截面的受力圖，見圖14（b）。從圖中可見，作用在收口繩上的張力Tsks，可按式（4）計算：

式中 收口繩與外接圓的切角θ，按式（5）計算：

上述各算式中，傘繩與徑向帶的載荷可通過開傘動載分析計算獲取。夾角參數(shù)可以通過幾何關(guān)系進(jìn)行計算，但問題在于出現(xiàn)最大開傘動載瞬間，對應(yīng)的傘衣投影直徑不易確定。因此徑向帶作用力方向與垂直線的夾角φ也難以獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，只能作粗略估算，取偏大值。今后應(yīng)設(shè)法測到收口繩的實際張力數(shù)據(jù)。

通常采用的一種收口繩張力Tsks的簡化算法，按式（6）估算：

6 多級收口

在重載荷、高動壓條件下開傘，為了更加有效的減小開傘過載，采用多級收口方案將會取得良好的效果。國外已有許多重載荷回收的降落傘采用了多級收口技術(shù)，如“阿波羅”地球著陸系統(tǒng)（ELS）、“獵戶座”載人飛船（Orion）、航天飛機(jī)固體火箭助推器（SRB）、K-1運載火箭、“戰(zhàn)神 ”I運載火箭和X-38國際空間站太空船（CRV）等型號[6-9]。各型號使用的收口級列于表3。

表3 降落傘收口級Tab.3 Parachute reefing stages

從表3中可以看出，主傘最多采用2級收口，而減速傘多達(dá)5級。

多級收口與單級收口工作原理完全相同。多級收口只是取用了幾組收口裝置，各組收口繩長度和延遲解除收口的時間不同而已。解除收口程序，先由收口繩長度短的開始，相隔一段時間，再解除下一級收口，使傘衣依次展開。通過控制傘衣阻力面積的逐漸展開，達(dá)到降低開傘動載的目的。

20世紀(jì)70年代，國內(nèi)研制的“曙光一號”降落傘系統(tǒng)，主傘為3傘系統(tǒng)，也采用過2級收口方案。實施了10次空投試驗，并獲得成功?！笆锕庖惶枴敝鱾悴捎?級收口的特點是：2道收口繩并排穿過1個共同的收口環(huán)。安裝方式見圖15。

圖15 “曙光一號”主傘2級收口安裝示意圖Fig.15 Schematic of installation of Shuguang-1 main parachute two-stage reefing

“阿波羅”號主傘的2級收口，是采用雙孔收口環(huán)，安裝方式見圖16。

圖16 “阿波羅”主傘2級收口安裝示意圖Fig.16 Schematic of installation of Apollo main parachute two-stage reefing

“戰(zhàn)神”I和SRB的主傘，是采用2組收口環(huán)，2道收口繩分別穿過各自的收口環(huán)。

“戰(zhàn)神”I運載火箭屬于重載荷回收。減速傘名義面積為337 m2，包裝質(zhì)量達(dá)568kg。因此采用多級收口，對降低開傘動載和減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，是行之有效的技術(shù)措施。該減速傘是采用3級收口，每道收口繩是并排分別穿過各自的收口環(huán)，連接方式見圖17。

圖17 “戰(zhàn)神”I減速傘3級收口Fig.17 AresⅠdrogue parachute three-stage reefing

圖18 X-38減速傘5級收口Fig.18 X-38 drogue parachute five-stage reefing

X-38的主傘為翼傘。由于翼傘開傘速度受到很大限制（X-38主傘的開傘速度大約30m/s），所以必須增大減速傘的阻力面積。X-38減速傘的名義面積為730 m2。傘衣面積如此之大，采用多級收口，對降低開傘動載和減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，必將取得顯著的效果。此外，X-38減速傘開傘動壓并不大（約3 640Pa），所以更適宜采用多級收口。該減速傘采用了5級收口，其收口環(huán)布局安排、安裝固定以及收口繩連接方式見圖18。

7 關(guān)鍵技術(shù)

7.1 收口環(huán)固定的牢固性

收口環(huán)傳遞給固定帶的作用力是以高頻撕拉形式呈現(xiàn)，很容易造成固定帶的縫線剝離和收口環(huán)脫落，致使整個收口裝置失效。因此，當(dāng)收口繩受載情況下，固定帶的橫向應(yīng)采用夾箍帶縫固。

7.2 切割器擊發(fā)裝置工作可靠性

根據(jù)以往的經(jīng)驗教訓(xùn)，切割器擊發(fā)裝置工作可靠性非常關(guān)鍵。在拉動切割器瞬間，其過載竟達(dá)數(shù)百個g。包傘過程，切割器通常是以接近水平狀態(tài)擺放，牽動切割器的是橫向拉力。圖19（a）為HGQ1-01A擊發(fā)裝置，其爪帽為球面形接口，能夠轉(zhuǎn)動，當(dāng)軸向力達(dá)到額定值時，就可釋放擊發(fā)支耳。圖19（b）為“水星與雙子星”座擊發(fā)裝置，這種結(jié)構(gòu)形式，拔銷很容易被折斷，因而導(dǎo)致切割器工作失效?！八桥c雙子星”座擊發(fā)裝置的拔銷材料選用是個關(guān)鍵，該型號的材料是選用聚四氟乙烯?！鞍⒉_”擊發(fā)裝置的設(shè)計方案，見圖19（c），采用了較粗的拔銷，這樣就不容易被折斷，其缺點是在90°方向的作用力難以拔出擊發(fā)支耳。SRB擊發(fā)裝置的設(shè)計方案，見圖19（d），擊發(fā)支耳徑向表面設(shè)計為旋轉(zhuǎn)面，而且擊發(fā)支耳與“Z”字形阻鐵之間用金屬索連接，因此能在大角度情況下，可靠地拉動擊發(fā)裝置。

圖19 各種典型擊發(fā)裝置Fig.19 Different typical initiation mechanism

7.3 切割器延期時間精度

收口繩切割器延時誤差是影響多傘系統(tǒng)異步開傘的主要因素。異步開傘導(dǎo)致各傘開傘動載分配的嚴(yán)重不均，增加了降落傘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低了多傘系統(tǒng)工作可靠性。因此采用多傘系統(tǒng)方案，應(yīng)盡可能提高收口繩切割器延時的精度。

8 結(jié)束語

降落傘的收口技術(shù)對減小開傘動載起到顯著的作用，現(xiàn)已獲得廣泛使用。收口裝置已成為回收降落傘系統(tǒng)的主要組成部分。雖然多級收口可以獲得降低開傘動載的更好效果，但由于采用多級收口，增加了單點失效環(huán)節(jié)，對可靠性不利，因此在降落傘系統(tǒng)方案設(shè)計時，必須全面權(quán)衡利弊，不宜片面追求單一指標(biāo)的先進(jìn)性。目前主傘最多采用2級收口，重載荷回收的減速傘，最多采用5級收口。

收口技術(shù)能否用于超聲速開傘情況，雖然研究人員對此進(jìn)行過研究，但目前尚未見到有成功的應(yīng)用范例，其關(guān)鍵技術(shù)在于零部件安裝固定的牢度和工作的可靠性。由于擔(dān)心松口裝置工作不可靠，所以通常避免采用收口裝置，而盡可能采用多級降落傘系統(tǒng)。

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