程子強 張鑫華 張龍臻

摘要：救生傘作為飛行員生命保障的關鍵裝備，在其研制時需要進行大量的邊界工況空投試驗，而救生傘高速空投試驗的開傘載荷數(shù)據(jù)不易準確獲取，從而影響救生傘性能的真實評價。本文通過對國內(nèi)救生傘高速空投試驗的現(xiàn)狀分析，提出了以拉直速度代替開傘速度作為救生傘高速空投試驗基準的新方法，結(jié)合數(shù)據(jù)分析和仿真計算，得到不同試驗方法下開傘—拉直過程傘系統(tǒng)速度衰減值，據(jù)此確定不同試驗方法救生傘高速空投試驗條件。本研究旨在提高我國救生傘產(chǎn)品性能驗證的準確性，進而提高飛行員的安全救生能力。

關鍵詞：降落傘；氣動特性；拉直速度；載荷；試驗

中圖分類號：V244.21+6文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.007

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)機超聲速巡航、高機動飛行性能的提高，救生系統(tǒng)的救生包線擴大。救生傘在高速開傘條件下會產(chǎn)生巨大開傘載荷[1]，若超出人體耐受極限則會對飛行員生命構成嚴重威脅，我國軍標對人體脊柱方向耐受的開傘載荷有嚴格規(guī)定[2]，因此，在救生傘研制中需對開傘載荷指標進行重點考核。

降落傘工作過程具有大變形、非線性、強流固耦合特征[3-4]，充氣展開需要很大的空間，因此其性能驗證受試驗方法、試驗環(huán)境條件影響較大[5]，試驗測試數(shù)據(jù)波動大，需要大量試驗數(shù)據(jù)才能獲得救生傘真實性能[6-7]。

在救生傘的性能驗證中，彈射試驗獲得的數(shù)據(jù)較為準確，但由于受試驗數(shù)量及試驗高度限制無法作為救生傘開傘載荷驗證的常規(guī)手段。目前，我國通常采用飛機高速空投假人（佩掛有救生傘的人傘系統(tǒng)）試驗方法，但由于假人姿態(tài)的不穩(wěn)定性，造成開傘載荷試驗數(shù)據(jù)失真嚴重[8]。由此，我國擬在救生傘開傘載荷測量中使用空投試驗彈的新方法以解決載體姿態(tài)對試驗數(shù)據(jù)的影響。由于試驗彈阻力特征較假人小，若仍以開傘速度作為基準試驗條件，則投放后速度衰減小而導致拉直速度較假人方式大，因開傘載荷與拉直速度直接相關（見本文第2節(jié)分析），故帶來過分考核的問題，因此需要研究確定拉直速度基準下的試驗條件（開傘速度）。

1救生傘高速試驗現(xiàn)狀分析

救生傘的高速試驗用于極限工況下開傘載荷及傘系統(tǒng)強度的考核，我國主要采用以下幾種方法。

1.1座椅彈射試驗

座椅彈射試驗是將彈射座椅固定于模擬座艙內(nèi)，在火箭橇滑軌上將模擬座艙加速到規(guī)定速度，按照彈射座椅規(guī)定的工作程序：射出救生傘—救生傘拉直—充氣張滿—攜帶飛行員（假人）安全著陸，光測設備獲得系統(tǒng)軌跡、速度、加速度等參數(shù)，電測設備（安裝在假人胸腔內(nèi)的過載傳感器）獲得救生傘開傘載荷。該方法以規(guī)定的開傘速度為基準設置試驗條件，結(jié)果最為真實，最貼近實際使用工況。

座椅彈射試驗特別是高速彈射試驗成本高、試驗樣本量少，試驗數(shù)據(jù)不足以獲取救生傘的固有特性，同時由于彈射試驗一般在地面進行，無法考核救生傘的高空開傘特性。

1.2飛機空投假人試驗

飛機空投假人試驗通過采用飛機懸掛傘/假人系統(tǒng)，將救生傘開傘速度（開包速度）作為基準，以規(guī)定速度/高度投放。利用GPS測速設備，對飛機空投過程中的救生傘離機速度進行測試；救生傘操縱帶上安裝力傳感器，對空投過程中操縱帶受力情況進行測試；假人胸腔質(zhì)心位置安裝過載傳感器以測量空投過程中開傘過載。試驗場景如圖1、圖2所示。

空投假人試驗中常以胸腔過載模擬人體脊柱方向所受開傘沖擊載荷。假人在高空投放時受載機尾流及假人形狀影響會出現(xiàn)不規(guī)律的翻滾現(xiàn)象，導致假人角速度較大。為研究假人姿態(tài)對開傘載荷的影響，本文進行了高速空投試驗，試驗表明，在相同開傘速度條件下，開傘載荷與角速度（合成值）呈明顯的正相關關系，見表1與圖3。初步分析認為假人因角速度產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)向心力與救生傘開傘載荷產(chǎn)生了疊加效應。

同時，根據(jù)試驗中測得的開傘過載及角速度隨時間變化曲線（見圖4）可以看出，開傘過載與角速度曲線規(guī)律一致，開傘過載的峰值時間與角速度峰值時間非常接近（如圖4均在1.5s處），再次說明救生傘開傘過程中，開傘過載受到了角速度的影響。

綜上分析，受假人姿態(tài)影響，飛機高速空投假人試驗測量的救生傘開傘載荷存在附加因素。國內(nèi)多位學者針對減少假人翻滾對試驗結(jié)果影響進行了相關研究，如劉丹陽等采用小波熵對試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進行對比分析，通過研究飛機空投假人試驗中試驗數(shù)據(jù)的處理方法以減小假人姿態(tài)對試驗數(shù)據(jù)的影響[9-10]。但目前研究尚不能給予空投假人試驗數(shù)據(jù)合理的修正。

1.3試驗彈空投試驗

為消除空投試驗假人不穩(wěn)定性對測試數(shù)據(jù)的影響，我們開展了空投試驗彈方法的研究。試驗彈空投試驗采用飛機外掛試驗彈（救生傘安裝在彈艙內(nèi)）進行空投的方式，該方法試驗載體穩(wěn)定性好，能夠很大程度地避免假人空投時因姿態(tài)不好產(chǎn)生的三向角速度對試驗結(jié)果的不利影響，同時試驗成本較彈射試驗低，且試驗環(huán)境接近真實工況?？胀对囼瀼椀目罩凶藨B(tài)如圖5所示。

常規(guī)的彈射試驗和假人空投試驗均以救生傘開傘速度/開傘高度指標確定試驗邊界條件，考核開傘載荷性能。因兩者前置體均為假人，阻力特征相當，則開傘—拉直過程速度衰減量相當，又因開傘載荷與拉直速度直接相關（與開傘速度間接相關），因而可認為兩種試驗方法測得的開傘載荷數(shù)據(jù)基本一致。

對試驗彈空投試驗來說，其前置體為流線形低阻彈體，阻力特征為0.2m2，較假人的0.46m2小，在開傘—拉直過程中速度衰減量較小，即在相同開傘速度條件下其拉直速度較大，因而測得的開傘載荷較大，導致數(shù)據(jù)超標。因此，試驗彈試驗必須保持與其他試驗方式中拉直速度的一致才能達到更真實的開傘載荷模擬。

2救生傘開傘載荷理論分析

由式（1）可知，在其他條件確定的前提下，降落傘最大開傘動載與拉直速度的平方成正比例關系。因此空投試驗中應該以系統(tǒng)拉直速度VL來計算最大開傘載荷，在相同條件下，救生傘系統(tǒng)拉直速度VL為衡量救生傘最大開傘載荷大小的直接依據(jù)。

目前我國救生傘高速空投試驗使用開傘速度作為基準設置試驗條件，不利于對救生傘性能的準確考量，而試驗彈空投試驗方法更加凸顯了這一矛盾。救生傘空投試驗中，要獲得更加準確的開傘過載數(shù)據(jù)，其拉直速度應與彈射試驗的拉直速度相統(tǒng)一，因此需分析救生傘在各試驗方法下開傘—拉直過程速度衰減，確定以拉直速度為基準的試驗條件。

3不同試驗方法開傘—拉直過程速度衰減分析

3.1座椅彈射試驗

3.1.1試驗數(shù)據(jù)分析

在6次高速彈射試驗中設定理論開傘速度為650km/h，試驗結(jié)果見表2。

由表2可知，實際測得的開傘速度在590 ～710km/h的范圍內(nèi)，速度衰減在100～125km/h范圍內(nèi)，速度衰減數(shù)據(jù)雖有波動，但變化不大（考慮到救生傘試驗數(shù)據(jù)具有波動大的特點，平均值更能反映其固有特性），速度衰減均值為116.3km/h，速度衰減了大約18%。

3.1.2仿真分析

為研究不同海拔高度開傘時的速度衰減，進行了仿真計算。在海拔高度0、4000m、7000m及設定開傘速度條件下，仿真結(jié)果見表3。

由表3仿真數(shù)據(jù)可知，在開傘速度648.4km/h、海拔高度為0條件下，從射傘到系統(tǒng)拉直人椅系統(tǒng)速度衰減115.6km/h；實際彈射試驗時開傘速度641.1km/h、海拔高度為134m（空氣密度與仿真計算0高度開傘條件差距極?。?，速度衰減均值為116.3km/h，仿真計算結(jié)果符合性較好；將仿真計算與彈射試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，使用最小二乘法繪制擬合曲線（見圖6），表明仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相吻合。隨著海拔高度的升高，空氣密度減小，人椅系統(tǒng)加速度減小，射傘至拉直過程速度衰減量減小，仿真結(jié)果滿足式（1）。綜上，可以證明仿真計算結(jié)果具有一定工程應用參考意義。

3.2空投假人試驗

以同型救生傘（與彈射試驗用傘相同）在海拔500m條件下的空投假人試驗為例，試驗結(jié)果見表4。

表4中數(shù)據(jù)顯示，以空投假人方式進行高速開傘載荷試驗，救生傘從打開傘包到傘系統(tǒng)拉直速度（均值）衰減約94.25km/h（或16%），與彈射試驗相比，速度衰減比率基本相當，衰減值稍小，因空投用假人為無四肢的軀干假人、而彈射用假人擁有四肢，兩者阻力特征有所不同而導致，同時也與試驗海拔高度、開傘速度等因素影響有關[13]。

3.3空投試驗彈試驗

同一傘型救生傘，在海拔4000m進行空投試驗彈試驗，試驗結(jié)果見表5。由表5可以看出，試驗彈空投試驗中救生傘的開傘速度到拉直速度的速度衰減很小，在10km/h左右（或衰減2%左右），主要是由于試驗彈的阻力特征小，開傘至拉直過程中救生傘系統(tǒng)加速度很小[14]。因此依1.3節(jié)所述，需要依據(jù)基準拉直速度及速度衰減量確定開傘速度。

4不同空投試驗方法開傘條件的確定

4.1試驗條件基準的確定

根據(jù)前述分析，高速空投試驗若與彈射試驗一樣使用開傘速度作為基準開傘條件不利于救生傘高速開傘性能的準確獲取。根據(jù)第2節(jié)的分析，在其他固有條件確定的前提下，降落傘最大開傘載荷與拉直速度的平方成正比例關系，而與開傘速度沒有直接聯(lián)系，用拉直速度代替開傘速度作為救生傘高速開傘試驗條件的基準有利于提高試驗數(shù)據(jù)準確性。

4.2試驗方法基準的確定

對彈射式救生傘來說，座椅彈射試驗是最接近真實工況的試驗。因此，為保證空投試驗方法獲得的結(jié)果具有一致性，應以座椅彈射試驗的拉直速度作為基礎。由于地面空氣密度等環(huán)境條件與真實工況下的高空環(huán)境有所差異，這種差異會導致開傘過載等試驗結(jié)果不準確[15]，故應在設置試驗條件時輔以仿真計算得到更準確的數(shù)據(jù)。

4.3高速空投試驗條件的確定

利用式（2）、式（3）及前述數(shù)據(jù)，以考核救生傘開傘速度650km/h、開傘高度4000m指標的空投試驗彈試驗為例（？V為9km/h， Vk為650km/h，？Vt為83.5km/h），其修正后的試驗條件為：開傘速度575.5km/h、開傘高度4000m。同理可以獲得其他空投方法不同投放高度的試驗條件，該方法將在后續(xù)空投試驗中進一步檢驗。需要說明的是，此計算案例為原理性展示，由于文中試驗數(shù)據(jù)及仿真計算工況的局限，具體數(shù)據(jù)需在深入分析、計算的基礎上得出。

5結(jié)束語

通過對救生傘高速空投試驗方法及拉直速度差異分析，為避免過分考核，本文通過彈射試驗、高空空投試驗和試驗彈試驗等相關數(shù)據(jù)以及仿真分析，對救生傘高速空投試驗條件設置基準進行了分析，分析發(fā)現(xiàn)救生傘高速空投試驗條件以拉直速度為基準進行設置可以使試驗結(jié)果更接近產(chǎn)品本身固有特性；具體設置方法是開傘速度等于基準拉直速度加上該試驗方法下開傘—拉直過程速度衰減量。

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（責任編輯皮衛(wèi)東）

作者簡介

程子強（1995-）男，學士，設計員。主要研究方向：降落傘。Tel：13147158407

E-mail：492772856@qq.com

張鑫華（1978-）男，學士，高級工程師。主要研究方向：人用降落傘。

Tel：13995791655

E-mail：ali_zxh@163.com

張龍臻（1965-）男，學士，研究員。主要研究方向：防護救生。

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