韓晉陽 徐宏 高峰

(中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，襄陽 441003)

1 引言

大多數(shù)降落傘的開傘速度一般都在亞聲速范圍以內(nèi)，設(shè)計人員對降落傘的氣動特性已基本掌握，技術(shù)也比較成熟。隨著降落傘應用領(lǐng)域的擴展，有些型號必須在超聲速區(qū)域內(nèi)開傘。而降落傘在超聲速區(qū)域內(nèi)開傘，其工作特性與亞聲速范圍差別很大，因此對降落傘在超聲速區(qū)域的工作特性，必須開展深入研究[1]。

我國在降落傘專業(yè)發(fā)展過程中，受到用戶需求的限制，目前研制出的各種用途的降落傘一直局限于亞、跨聲速條件下使用。近幾年來，隨著我國航空、航天、兵器等領(lǐng)域技術(shù)裝備超常規(guī)發(fā)展的變化，新式特殊武器彈藥、臨近空間飛行器或大氣層再入飛行器均需求超聲速或高超聲速條件下的穩(wěn)定、減速裝置，它對導彈、遙控無人駕駛飛機、助推器、數(shù)據(jù)儀器艙和其它各種再入式飛行器的起始減速和穩(wěn)定是必不可少的。超聲速降落傘的研究要面臨超聲速條件下氣動加熱、氣流擾動、低空高動壓條件下開傘承受大的結(jié)構(gòu)載荷和高空低動壓條件下開傘呼吸現(xiàn)象等諸多問題。自行充氣織物降落傘的應用是有限度的。據(jù)相關(guān)資料報[2]道，傳統(tǒng)織物傘型只限于馬赫數(shù)為3以下使用，為避免超聲速應用中的某些問題，如空氣密度極低，織物降落傘未必能充滿，或者伴隨著氣動加熱產(chǎn)生的高溫，織物降落傘將發(fā)生高頻顫振，工作過程極不可靠，且材料的選擇也將是一個嚴重的問題。

此前，國外研究人員已開展了大量研究工作，取得了顯著成果，并成功地得到實際應用。本文結(jié)合某型號超聲速減速傘設(shè)計實踐，對上述諸多問題影響因素展開分析，為降落傘專業(yè)人員提供設(shè)計參考。

2 傘型選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

某型號配套超聲速減速傘技術(shù)要求為前置體質(zhì)量Gw=300kg；開傘高度H =（4 500±2 500）m；開傘時風速V ≤750m/s。降落傘在相同馬赫數(shù)下開傘，高動壓與低動壓區(qū)間的工作特性有很大不同，因此，在傘型的選擇和結(jié)構(gòu)形式設(shè)計等方面，都有很大區(qū)別。所以，將超聲速降落傘的應用領(lǐng)域按高、低動壓區(qū)域劃分。從該型號需求可知，降落傘處于高密度、高動壓、超聲速（Ma=2.2）的工作環(huán)境下開傘。具體要求是：超聲速傘系統(tǒng)開傘充氣過程必須是高效和連續(xù)的[3]，由于傘系統(tǒng)必須將前置體連續(xù)減速至亞聲速，因此超聲速傘在亞聲速工作段也要顯示出良好的工作性能；超聲速傘系統(tǒng)必須對前置體提供較高的阻力，且主傘與前置體的運動必須是穩(wěn)定的；傘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要考慮傘衣帶條的高速顫振性和空氣加熱等問題，必須經(jīng)得住較高的開傘動載。

2.1 傘型選擇

在超聲速開傘環(huán)境下，并非所有傘型都能正常工作，而只有少數(shù)幾種傘型在一定馬赫數(shù)范圍內(nèi)才能適用。大多數(shù)超聲速傘需對前置體起穩(wěn)定作用，選擇傘型的主要和必要條件之一是傘衣應具有a=0時的靜穩(wěn)定性（a為傘系統(tǒng)迎角，它是傘系統(tǒng)速度方向與坐標Oy軸反方向延長線之間夾角）。在超聲速條件下具有工作能力的傘型，常用的有錐形帶條傘、半流傘、超聲速-X型傘、導向面（無肋、有肋）傘、十字型傘、盤縫帶傘等。

上述傘型中，相比較而言，在亞聲速工作段，半流傘、錐形帶條傘、導向面?zhèn)惴€(wěn)定性優(yōu)于十字型傘、超聲速-X型傘和盤縫帶傘。

在超聲速工作段，導向面?zhèn)?、錐形帶條傘和十字型傘在 Ma=1.5以下性能是良好或比較好的，而超過Ma=1.5，就呈現(xiàn)出較大的振動現(xiàn)象，其性能就顯得很差；而半流傘在Ma=1.5～2.5范圍內(nèi)仍具有良好的阻力特性和穩(wěn)定性；盤縫帶傘在Ma=2.7以下性能是比較好的，而達到Ma=2.7，也就呈現(xiàn)出較大的振動現(xiàn)象；超聲速-X型傘模型在Ma=1.75～8.0范圍內(nèi)做過試驗。結(jié)果表明，它具有良好的充氣性能和極好的穩(wěn)定性。目前尚未見到獲得實際應用。

就阻力特性而言，通常認為錐形帶條傘的阻力系數(shù)較半流傘大，但實際超聲速段的工作情況并非如此。由圖1[4]可知，錐形帶條傘在亞聲速段阻力系數(shù)Cs=0.55（阻力系數(shù)Cs表示降落傘運動時受空氣阻礙的程度，它和降落傘形狀、在氣流中的位置及雷諾數(shù)有關(guān)），Ma＞1.25時，阻力系數(shù)就開始減小。當達到Ma=2時，Cs=0.25達不到亞聲速時的一半。半流帶條傘在亞聲速段Cs=0.46，Ma＞1.8時，阻力系數(shù)才開始減小，當Ma=3時，阻力系數(shù)仍大于0.3，在Ma=1.5～2.5范圍內(nèi)，半流帶條傘阻力系數(shù)均大于錐形帶條傘。也就是說，半流帶條傘在超聲速工作段能對前置體提供較高的阻力；對傘衣結(jié)構(gòu)而言，半流帶條傘較錐形帶條傘，減小了傘衣底邊處帶條的多余長度和傘衣充滿時帶條的張滿度（見圖2）。試驗表明，半流帶條傘這種結(jié)構(gòu)使其傘衣底邊的顫振較錐形帶條傘要小得多。

圖1 半流帶條傘與錐形帶條傘阻力系數(shù)C s與Ma的對比Fig.1 Persistence coefficient C s and the Ma number of half-flow stripe parachute and conical stripe parachute

圖2 半流帶條傘與錐形帶條傘傘衣幅結(jié)構(gòu)對比圖Fig.2 Canopy of half-flow stripe parachute and conical stripe parachute

綜上所述，根據(jù)該型號工作要求，綜合考慮確定選擇半流帶條傘傘型。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 傘衣結(jié)構(gòu)確定

半流傘傘衣結(jié)構(gòu)形狀呈210°球面，該球面是180°半球球面延伸了15°，見圖3。在張滿狀態(tài)下，傘衣形狀趨近于半球形，在超聲速條件下張滿后應力分布相對均勻，其每幅為曲面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，加工精度及難度較大。根據(jù)該型號配套超聲速減速傘技術(shù)要求，確定傘衣名義面積設(shè)計為1 m2，結(jié)構(gòu)透氣量21%。具體結(jié)構(gòu)尺寸按如下規(guī)則計算：

圖3 傘衣結(jié)構(gòu)及傘衣幅示意圖Fig.3 Canopy structure and canopy piece

3）根據(jù)水平帶條寬度dkb 是環(huán)縫寬度fkb的4倍，傘衣頂孔面積SD=0.01S的原則。確定傘衣環(huán)數(shù)、傘衣環(huán)寬度及環(huán)縫寬度；

5）傘衣幅型設(shè)計

設(shè)第i圈水平帶上底邊任意點與球心的連線和鉛垂線夾角為αi；下底邊任意點與球心連線和鉛垂線的夾角為αi'。第i圈水平帶上底邊任意點與球心連線和下底邊任意點與球心連線形成的夾角為Δαd，第i圈水平帶下底邊任意點與球心的連線和第(i+1)圈水平帶上底邊任意一點與球心的連線形成的夾角為Δαf。

依次類推，可得：

假設(shè)第 i圈水平帶上底邊圍成的圓的半徑為 ri，下底邊圍成的圓的半徑為 ri′。每一幅傘衣幅的第 i圈水平帶上底邊長為yi，下底邊長為yi′。

2.2.2 傘繩長度選擇

傘繩長度影響傘系統(tǒng)的阻力特性和穩(wěn)定性[5]。在超聲速工作段，較長的傘繩會有助于增加降落傘的穩(wěn)定性。傘繩長度增加會使傘的投影直徑變大，從而增大傘的阻力系數(shù)。但由于半流傘傘繩質(zhì)量占整傘質(zhì)量的65%，同樣會使整傘質(zhì)量大幅增加，占用較大的容積。試驗表明，當超聲速傘的傘繩長度ls=（1.75～2.00）Ds（Ds是傘衣的名義直徑）時,可在獲得相對高的阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上，增加穩(wěn)定性。而亞聲速傘的傘繩長度ls=（0.8～1.1）Ds。綜合考慮該型號傘繩長度確定為2m。

3 阻力特性和穩(wěn)定性的試驗和分析

首先對該型號半流帶條傘的低速阻力特性和穩(wěn)定性進行了測試。試驗是在中航工業(yè)航宇公司DFD-03單回流式開口低速風洞中進行。風洞參數(shù)為，試驗段尺寸φ2.5m×5.6m；最大風速為100m/s。

由低速風洞試驗的結(jié)果可知，該型號半流帶條傘的阻力系數(shù)Cs值在0.39～0.44之間，平均值為0.41。在低速風洞試驗中, 用帶標準鏡頭的GV-16高速攝影機(攝影頻率100幅/秒)拍攝并分析半流帶條傘的擺角α(見表1)。經(jīng)對40個數(shù)據(jù)的處理和分析，結(jié)果半流傘的擺角在1°～6.5°之間。風速較小時， 因傘自重影響，擺角偏大，平均擺角在±5.5°左右。隨著風速的增大，擺角α越來越小，平均擺角在±2°左右。從第四組數(shù)據(jù)可看出，擺角一直保持在±2°左右, 穩(wěn)定性較好。

表1 半流帶條傘擺角測試Tab.1 Half-flow stripe parachute vibration angle test

對該型號半流帶條傘的超聲速阻力特性和穩(wěn)定性進行測試。試驗是在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的FL-24風洞進行。由高速風洞試驗的結(jié)果可知，半流帶條傘的阻力系數(shù)Cs值在0.34～0.41之間，平均值為0.37；試驗觀察該型號半流帶條傘仍能保持較好的穩(wěn)定性。圖4為半流帶條傘超聲速風洞試驗中的充氣過程，示意的是不同時刻的傘衣形狀。

圖4 半流帶條傘超聲速充氣過程Fig.4 Supersonic inflation process of half-flow stripe parachute

當半流帶條傘受到超聲速氣流作用，傘衣、傘繩開始變形。t=0.05s時，傘繩開始拉直；t=0.06s時，傘衣逐漸展開，系統(tǒng)開始充氣；t=0.10s時，傘衣形狀逐漸飽滿；t=0.11s時，傘衣形狀不再變化，投影直徑大小保持穩(wěn)定，系統(tǒng)充氣完成。

超聲速情況下，傘的特性在很大程度上取決于傘的工作狀態(tài)（馬赫數(shù)及雷諾數(shù)）、結(jié)構(gòu)形狀、前置體與傘系統(tǒng)的幾何特性（前置體和傘衣直徑與兩者間距離的關(guān)系）等。傘的阻力系數(shù)一般隨超聲速速度的增加而下降。這是由于前置體尾流效應和傘形狀變化再加上充氣不穩(wěn)定性的綜合影響之所致。通過對半流帶條傘的傘衣形狀和投影直徑在超聲速段和亞聲速段對比觀察（見圖5），傘衣形狀和投影直徑DP隨馬赫數(shù)的變化而變化。在亞聲速時DP≈0.7Ds，而在超聲速時，DP≈0.5 Ds。可以認為投影直徑DP的變化是阻力系數(shù)減小的主要原因之一。

圖5 半流帶條傘的傘衣形狀和投影直徑在超聲速段和亞音速段對比Fig.5 Canopy shape and projection diameter of half-flow stripe parachute in supersonic and subsonic stages

試驗表明，在前置體的尾流中，降落傘的阻力都會下降，無論是亞聲速工作段，還是超聲速工作段，其原因就是尾流中動量的損失[6]。但是超聲速工作段前置體的尾流對降落傘性能的影響較亞聲速工作段嚴重得多。主要是空氣可壓縮效應的影響，可壓縮尾流（超聲速段）中動量的損失比不可壓縮尾流中（亞聲速段）動量損失要大得多。

為了使該型號半流帶條傘在超聲速尾流中能有效地充氣和工作，應盡可能減小前置體尾流對降落傘阻力的影響。一般將前置體尾部至傘衣進氣口距離X與前置體的直徑DW的比值（X/DW）定義為傘系統(tǒng)拖曳距離參數(shù)。試驗表明，在接近于前置體的地方（X/DW≤2），由于處于前置體尾部負壓區(qū)內(nèi)（通過風洞試驗表明：星體和尾蓋的負壓區(qū)范圍在 X/DW=0～1.2； 機載航彈的負壓區(qū)范圍在 X/DW=0～1.5），減速傘阻力很低[7]。拖曳距離參數(shù)范圍在 2＜X/DW＜7之間，減速傘的阻力不穩(wěn)定，傘的阻力系數(shù)下降較明顯。拖曳距離參數(shù)范圍在 X/DW≥7，尾流對傘阻力影響甚微，而穩(wěn)定性只同減速傘的幾何形狀和結(jié)構(gòu)透氣量有關(guān)。這說明前置體尾流對降落傘的影響隨拖曳距離增加而減弱。試驗表明，超聲速段拖曳距離參數(shù) X/DW≥7，就可避免前置體尾流的影響。而亞聲速段的拖曳距離，只要脫離負壓區(qū)，即 X/ DW≥3即可。因此，將該型號半流帶條傘拖曳距離參數(shù)確定為X/DW=7.2。

經(jīng)過高速風洞試驗研究表明，超聲速條件下，半流帶條傘采用較高的結(jié)構(gòu)透氣量，一般在17%～29%之間。而亞聲速傘的結(jié)構(gòu)透氣量一般在17%以下。選擇較高的結(jié)構(gòu)透氣量的理由是由于正激波在傘衣底邊的發(fā)生是不可避免的。傘衣底邊內(nèi)外壓差的減弱促使傘衣幅和傘衣底邊發(fā)生顫振。如果能夠“吞”下正激波并將其保持在傘衣底邊口部，將使傘衣底邊的壓差增大。原因是類似幾何管的壅塞消除現(xiàn)象，傘衣底邊內(nèi)部的壓力值將近似于正激波前的壓力，而不是正（脫體）激波后減小的壓力。傘衣底邊外部的壓力值將近似于自由流的靜壓（幾乎沒有激波的影響）。通過恢復這樣一個大的、方向向外的壓差，降落傘的傘衣投影面積增大，阻力系數(shù)也將增大。高速顫振對傘衣底邊的破壞將減至最小，見圖6。為了“吞”下激波，就須努力使進入降落傘的空氣質(zhì)量盡可能地流出降落傘，這就要求超聲速傘有較高的結(jié)構(gòu)透氣量。

圖6 不同結(jié)構(gòu)透氣量降落傘的激波位置對比Fig.6 Shock wave location for parachutes w ith different structural permeability

4 開傘特性研究和分析

4.1 開傘程序研究

超聲速條件下，開傘程序設(shè)計是超聲速減速傘研究的關(guān)鍵技術(shù)。超聲速的開傘性能，是通過高速空投試驗完成的。試驗結(jié)果表明：采用火工品作功做為開傘動力源，由裝傘套完成傘衣和傘繩兩級封口，實現(xiàn)倒拉法開傘程序[8]。開傘可靠性較高。半流帶條傘超聲速開傘程序時間歷程如圖7所示?；鸸て纷鞴Α娱_傘、傘繩封口解除，如圖7(a)所示；傘繩拉直如圖7(b)所示；傘衣封口解除、開始充氣，如圖7(c)所示；傘衣充氣張滿，如圖7(d)所示。

4.2 顫振和氣動熱分析

超聲速降落傘的振動現(xiàn)象（諸如傘繩抖振、傘衣喘振、帶條扭振及降落傘高頻擺振等）對降落傘系統(tǒng)工作會造成嚴重影響，甚至導致結(jié)構(gòu)解體，使系統(tǒng)工作完全失敗。降落傘系統(tǒng)主要是用縫線縫制而成，在超聲速條件下，由于劇烈振動容易導致縫合部結(jié)構(gòu)遭受撕裂性破壞。因此，關(guān)鍵的縫合部位如何采用有效抗撕裂措施，是設(shè)計中需重點考慮的問題。為防止劇烈振動而破壞降落傘結(jié)構(gòu)，構(gòu)件應盡可能采用連續(xù)型結(jié)構(gòu)，減少縫合部連接環(huán)節(jié)。主要承力部位縫合部的端頭，可采用橫向卡箍式包扎固定等措施，以防止縫線剝離。

氣動力加熱對超聲速降落傘的影響，是速度、動壓及熱脈沖等持續(xù)作用時間的函數(shù)。在 Ma= 3～5的試驗中，會發(fā)現(xiàn)存在有嚴重的加熱問題。降落傘在高超聲速條件下工作，遇到氣動熱的問題，分析計算其熱載荷，由于缺乏經(jīng)驗，準確性難以把握。

該型號半流帶條傘是在高動壓、超聲速（Ma=2.2）的工作環(huán)境下開傘。氣動力加熱的影響不大，但振動現(xiàn)象設(shè)計上必須加以考慮[9-10]。為防止劇烈振動而破壞降落傘結(jié)構(gòu)，傘衣徑向帶與傘繩采用一體連續(xù)型結(jié)構(gòu)，減少縫合部連接結(jié)頭；為避免出現(xiàn)破壞性脈動、傘衣喘振、連接帶作彈簧式抖振，導致連接帶斷裂現(xiàn)象發(fā)生，材料選擇芳綸帶，減小伸長率。

4.3 最大開傘動載計算和分析

由于前體尾流區(qū)的影響和超聲速條件下降落傘阻力系數(shù)的變化，降落傘的最大開傘動載分析計算較為復雜，與低速開傘分析計算存在有較大差異[11]。又由于受前體激波的影響，傘衣進氣口氣動力參數(shù)變化較大，其真實工作環(huán)境參數(shù)難以把握，分析計算開傘載荷，很難達到精確程度。

超聲速傘的用途一般都是穩(wěn)定減速，都是在無限質(zhì)量條件下開傘工作。由于該型號傘衣載荷比GW/AS=300kg/m2（式中，GW是前置體質(zhì)量，AS是傘名義面積）滿足無限質(zhì)量條件。對于無限質(zhì)量情況，最大開傘動載的計算可簡化成如下公式：

式中 ρH是空氣密度；(CA)s是傘的阻力特征；kd是動載系數(shù)。

經(jīng)驗證明，對于一定型式的傘衣，在亞聲速范圍內(nèi)，無因次動載系數(shù)kd是常值。在高亞聲速或超聲速范圍內(nèi)，由于空氣壓縮性影響，充滿距離和時間均會有所延長，kd值會有所減少。由于激波、顫振等因素影響，kd值又會有所增大。超聲速條件下動載系數(shù)的研究是復雜的[12]。認為半流帶條傘的動載系數(shù)kd=1.3[3]，是值得商榷的。

鑒于半流帶條傘超聲速段的動載系數(shù)既無試驗數(shù)據(jù)，國內(nèi)外資料也無記載。試驗人員在PL-1導彈減速傘項目中進行了初步研究，得到了 Ma=2時，200°球面帶條傘的動載系數(shù)kd的測試數(shù)據(jù)，見表2所示。

確定結(jié)構(gòu)透氣量 21%的半流帶條傘(210°球面帶條)的動載系數(shù)kd=2.33(參照表2中第3項)。按公式（1）計算的 200°球面帶條傘和半流帶條傘的最大開傘動載見表3。

表2 不同結(jié)構(gòu)透氣量與動載系數(shù)比較Tab.2 Dynam ic load coefficient comparisons among different structural permeability

表3 半流帶條傘最大開傘動載Tab.3 Maximum deployment dynamic load of half-flow stripe parachute

如果半流帶條傘的動載系數(shù)kd取2.33的誤差較小，則計算出的最大開傘動載R smax =11 020.6kg也是可信的。所以問題的關(guān)鍵是超聲速段的動載系數(shù)kd的確定。由于超聲速條件下最大開傘動載的計算在國內(nèi)理論上還是空白，試驗數(shù)據(jù)更缺。以上所述只是很初步的探討。

5 結(jié)束語

本文通過低速風洞試驗、高速風洞試驗和高速飛行投放試驗，對半流傘結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、氣動特性、開傘特性及最大開傘動載進行了研究。研究結(jié)果表明，半流傘的穩(wěn)定性和阻力特性能夠滿足本課題的性能指標要求。超聲速段阻力系數(shù)減小是前置體尾流效應和傘形狀變化再加上充氣不穩(wěn)定性的綜合影響造成的。由于空氣壓縮性的影響，前置體尾流、傘衣結(jié)構(gòu)透氣量和傘繩長度等對超聲速段半流傘阻力的影響比亞聲速段大得多。由于超聲速條件下顫振和氣動熱的影響，開傘動載計算與亞聲速段有明顯不同，在半流傘結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要有特殊考慮。本文的研究可以為超聲速傘研制和試驗提供一定的參考依據(jù)。

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