環(huán)片數(shù)量對(duì)環(huán)帆傘氣動(dòng)性能的影響

高 暢，余 莉，張思宇

（南京航空航天大學(xué)飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

環(huán)帆傘因其優(yōu)良的充氣性能、較好的穩(wěn)定性以及較高的阻力系數(shù)等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于航天器回收著陸系統(tǒng)。作為航天器回收系統(tǒng)中主傘的重要代表，其氣動(dòng)性能對(duì)航天器回收著陸過(guò)程中的速度、姿態(tài)有著十分重要的影響。

環(huán)帆傘由上部環(huán)和下部波帆組成，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其開縫位置、開縫大小、環(huán)片數(shù)量等參數(shù)變化都對(duì)環(huán)帆傘的氣動(dòng)性能有非常重要的影響。環(huán)帆傘一般面積較大，風(fēng)洞試驗(yàn)極易造成堵塞效應(yīng)。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)帆傘氣動(dòng)性能的研究大多采用數(shù)值計(jì)算的方法。

Christopher，Jason D[3]采用時(shí)序形狀測(cè)定法對(duì)不同收口比的環(huán)帆傘的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)外形和穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算；T*AFSM團(tuán)隊(duì)利用空間穩(wěn)定—時(shí)空流固耦合（SSTFSI）技術(shù)，通過(guò)采用均質(zhì)幾何模型（HMGP）技術(shù)解決了環(huán)帆傘由結(jié)構(gòu)透氣性引起的難題，分析了獵戶座飛船可能使用的環(huán)帆傘傘衣設(shè)計(jì)構(gòu)型的性能，總體研究表明，去除某一位置的帆會(huì)提高靜態(tài)穩(wěn)定性，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)阻力的損失[4-7]。

在環(huán)帆傘結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，甘小嬌[8]等人基于環(huán)帆傘穩(wěn)降過(guò)程開展了環(huán)縫和月牙縫等結(jié)構(gòu)透氣參數(shù)與氣動(dòng)性能關(guān)系的研究，并擬合出多項(xiàng)式曲線；甘和麟[9]利用LS-DYNA 及Matlab 軟件設(shè)計(jì)了環(huán)帆傘參數(shù)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，并利用該平臺(tái)開展了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傘衣面積和頂部結(jié)構(gòu)透氣量偏差的靈敏度分析，分析了環(huán)帆傘頂部結(jié)構(gòu)透氣量對(duì)阻力特性的影響；賈賀[10]等人基于CFD 方法，在超音速條件下，對(duì)不同孔隙率的環(huán)帆傘模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了開縫位置及孔隙率對(duì)環(huán)帆傘氣動(dòng)性能的影響機(jī)理。

對(duì)環(huán)帆傘來(lái)說(shuō)，環(huán)片結(jié)構(gòu)布局對(duì)環(huán)帆傘氣動(dòng)性能影響顯著，但當(dāng)前對(duì)其規(guī)律的深入研究仍顯匱乏。基于此，本文采用CFD 方法，分別針對(duì)定結(jié)構(gòu)透氣量和變結(jié)構(gòu)透氣量2種環(huán)片結(jié)構(gòu)開展了環(huán)片數(shù)量對(duì)傘衣氣動(dòng)性能的影響研究，以探究環(huán)帆傘氣動(dòng)性能優(yōu)化的環(huán)片設(shè)計(jì)方案。

1 研究對(duì)象

本文以某環(huán)帆傘為對(duì)象，開展穩(wěn)降階段的繞流流場(chǎng)計(jì)算，傘衣幅結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，環(huán)帆傘充滿時(shí)的投影直徑為名義直徑的60%～68%，本文取其平均值。同時(shí)，根據(jù)空投試驗(yàn)的充滿外形確定加強(qiáng)帶的子母線形狀，最終得到傘衣的氣動(dòng)外形，如圖2所示。

圖1 環(huán)帆傘傘衣幅結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the ringsail parachute gore

表1 環(huán)帆傘結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structural size of the ringsail parachute

圖2 充滿狀態(tài)下環(huán)帆傘模型Fig.2 Kingsail parachute model under inflation state

以上述環(huán)帆傘為基礎(chǔ)，在維持名義面積、傘衣環(huán)帆高度比不變的情況下，調(diào)整環(huán)片結(jié)構(gòu)、改變環(huán)片數(shù)量，分別開展定結(jié)構(gòu)透氣量和變結(jié)構(gòu)透氣量情況下環(huán)片數(shù)量對(duì)傘衣氣動(dòng)性能的影響研究。首先，保證結(jié)構(gòu)透氣性不變，改變環(huán)片數(shù)量并相應(yīng)調(diào)整環(huán)片高度，設(shè)置4個(gè)研究對(duì)象；其次，控制環(huán)片高度不變，改變環(huán)數(shù)，結(jié)構(gòu)透氣量隨之變化，設(shè)置3 個(gè)研究對(duì)象。各研究對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)帆傘結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of ringsail parachute

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 控制方程

根據(jù)環(huán)帆傘穩(wěn)降階段的速度特點(diǎn)，本文采用不可壓Navier-Stokes方程進(jìn)行求解，其控制方程為：

式（1）中：u 是速度矢量；ui是速度矢量u 分別在x、y、z 軸的分量；p 是流體微元體上的壓力；μ 是動(dòng)力粘度；S 為廣義源項(xiàng)。

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型。采用有限體積法對(duì)控制方程離散，空間離散格式采用二階迎風(fēng)格式，壓強(qiáng)與速度耦合求解算法采用SIMPLE算法[12]。

2.2 數(shù)值模型

在穩(wěn)定下降階段，傘衣變形很小，并且傘衣織物透氣量對(duì)總透氣量的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。因此，可忽略傘衣的變形及織物透氣性[13-15]。

根據(jù)傘衣外形對(duì)稱特點(diǎn)，建立了圓柱體流場(chǎng)計(jì)算域，流場(chǎng)尺寸為10D0×8D0×8D0（D0為環(huán)帆傘傘衣名義直徑，流場(chǎng)出口邊界至環(huán)帆傘頂部距離為6.5D0），如圖3 所示。流場(chǎng)計(jì)算采用速度入口、壓力出口邊界條件，為減小計(jì)算量，四周壁面采用對(duì)稱邊界，傘衣面選用無(wú)滑移固定壁面。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算域Fig.3 Computational domain of flow field

2.3 方法驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[16]的空投試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算工況高度H=6 000 m、下降速度v=40 m/s，攻角為0°；研究對(duì)象為A3。根據(jù)計(jì)算域和傘衣外形特點(diǎn)，本文建立了四面體網(wǎng)格[17-18]，且網(wǎng)格數(shù)量分別為0.37×106、0.87×106和1.3×106，見(jiàn)圖4。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，從中可以看出，本文的計(jì)算結(jié)果均小于空投試驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于本文所建立的氣動(dòng)外形是理想的軸對(duì)稱狀外形，和空投試驗(yàn)并不完全一致，但阻力系數(shù)誤差和空投試驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差僅為6.7%，表明本文的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果滿足環(huán)帆傘氣動(dòng)性能分析的誤差要求。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)過(guò)少時(shí)（0.37×106），會(huì)影響數(shù)據(jù)變化的捕捉，誤差較大；而網(wǎng)格數(shù)過(guò)多（1.3×106），一方面會(huì)增加計(jì)算消耗，另一方面也會(huì)導(dǎo)致浮點(diǎn)計(jì)算誤差增加。綜上分析，本文均采用0.87×106網(wǎng)格密度對(duì)不同對(duì)象的環(huán)帆傘進(jìn)行繞流流場(chǎng)計(jì)算。

圖4 網(wǎng)格局部放大圖Fig.4 Partial enlarged view of the grid

表3 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證對(duì)比Tab.3 Comparison of numerical calculation verification

3 流場(chǎng)分布規(guī)律

圖5 為定結(jié)構(gòu)透氣量環(huán)帆傘（A1～A4）的流線圖?？蓮闹锌闯?，當(dāng)結(jié)構(gòu)透氣量不變時(shí)，即使環(huán)數(shù)發(fā)生變化，流場(chǎng)分布規(guī)律也基本保持一致：來(lái)流進(jìn)入傘衣后分別從傘頂孔、傘衣透氣縫流出；傘衣的尾渦區(qū)由貼近傘衣面的第一尾渦區(qū)和尾部中心旋渦對(duì)組成的第二尾渦區(qū)構(gòu)成[8]，如圖5 a）所示，渦核的位置和尾渦區(qū)大小相差不大。

圖6、7 為變結(jié)構(gòu)透氣量環(huán)帆傘（B1～B3）的流線圖。從中可以看出，結(jié)構(gòu)透氣量不同，傘衣的尾部流場(chǎng)變化很大：①隨著環(huán)帆傘環(huán)片數(shù)目增加，傘衣結(jié)構(gòu)透氣量減小，射流速度減小，第一尾渦區(qū)面積減小，漩渦變小且分布更為均勻；②當(dāng)環(huán)縫寬度增加，結(jié)構(gòu)透氣性增加時(shí)，射流速度增加，近傘衣面尾流區(qū)旋渦尺寸增加，有可能導(dǎo)致傘衣穩(wěn)定性降低；③當(dāng)環(huán)數(shù)為2，傘衣上部結(jié)構(gòu)透氣量達(dá)到17.4%時(shí)，結(jié)構(gòu)透氣孔透流速度增加，較大的動(dòng)能直接破壞第二尾渦區(qū)的形成，不再出現(xiàn)典型的傘衣后面兩大尾渦區(qū)結(jié)構(gòu)。

圖5 定結(jié)構(gòu)透氣量流線圖Fig.5 Streamline diagram of fixed geometric porosity

圖6 變結(jié)構(gòu)透氣量流線圖Fig.6 Streamline diagram of variable geometric porosity

圖7 變結(jié)構(gòu)透氣量傘衣面流線放大圖Fig.7 Streamline enlarged view of variable geometric porosity

4 環(huán)片數(shù)量對(duì)氣動(dòng)性能的影響

4.1 定結(jié)構(gòu)透氣性

圖8為A1～A4 4種環(huán)帆傘在0°攻角下的六自由度氣動(dòng)參數(shù)，從中看出，各對(duì)象軸向氣動(dòng)力系數(shù)（阻力系數(shù)）相近；其他5個(gè)自由度方向的氣動(dòng)特性參數(shù)均很小，幾乎為0。定結(jié)構(gòu)透氣量情況下，改變環(huán)片數(shù)量對(duì)氣動(dòng)特性參數(shù)幾乎沒(méi)有影響。

圖8 0°攻角下六自由度氣動(dòng)參數(shù)Fig.8 6-DOF aerodynamic parameters at 0° angle of attack

綜上，雖然環(huán)縫數(shù)量發(fā)生了變化，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)透氣量相同時(shí)，傘衣外部流場(chǎng)分布相近，傘衣表面附著旋渦大小一致，使環(huán)帆傘整體受力均勻，阻力系數(shù)和力矩變化率相差不大，導(dǎo)致傘衣的氣動(dòng)減速性能和氣動(dòng)靜穩(wěn)定性能非常接近，環(huán)片數(shù)量改變對(duì)其氣動(dòng)性能幾乎沒(méi)有影響。

圖9 力矩系數(shù)隨攻角變化曲線Fig.9 Variation curve of moment coefficient with angle of attack

4.2 變結(jié)構(gòu)透氣性

圖10 為B1～B3 環(huán)帆傘在0°攻角下的六自由度氣動(dòng)參數(shù)?？梢钥闯觯涵h(huán)數(shù)增加，結(jié)構(gòu)透氣量減小使軸向力系數(shù)（阻力系數(shù)）增大；對(duì)側(cè)向和法向氣動(dòng)力系數(shù)及氣動(dòng)力矩系數(shù)，其值始終保持一個(gè)接近于0的值。

由圖11力矩系數(shù)隨攻角變化曲線可看出，隨著環(huán)片數(shù)量的減少、結(jié)構(gòu)透氣量的增加，攻角為0時(shí)的力矩系數(shù)變化率先降低后增加。由降落傘系統(tǒng)靜穩(wěn)定性判據(jù)可知，B3靜穩(wěn)定性最優(yōu)，B2靜穩(wěn)定性最弱。如第3 節(jié)所言，對(duì)象B3 的因傘衣面附著旋渦大小相近，環(huán)帆傘各部分受力均勻，穩(wěn)定性較好；B1、B2 傘衣表面均出現(xiàn)了尺寸相差較大的旋渦，使傘衣各部分受力不均，穩(wěn)定性較差；同時(shí)，B1由于環(huán)縫寬、透氣量大，速度較大的射流作用抵消部分尾渦不均勻分布帶來(lái)的不平衡力，穩(wěn)定性有一定程度的提高。

圖10 0°攻角下六自由度氣動(dòng)參數(shù)Fig.10 6-DOF aerodynamic parameters at 0° angle of attack

圖11 力矩系數(shù)隨攻角變化曲線Fig.11 Variation curve of moment coefficient with angle of attack

綜上所述，環(huán)片數(shù)目為4片時(shí)，環(huán)帆傘的穩(wěn)定性能較好，且其阻力系數(shù)最高，相較其他研究對(duì)象而言是環(huán)帆傘整體性能較好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文基于CFD 數(shù)值計(jì)算方法開展了定結(jié)構(gòu)透氣量與變結(jié)構(gòu)透氣量下繞流流場(chǎng)研究。通過(guò)對(duì)數(shù)值結(jié)果的分析，有如下結(jié)論：①定結(jié)構(gòu)透氣量下，不同環(huán)片數(shù)量的環(huán)帆傘繞流流場(chǎng)分布規(guī)律一致，環(huán)片數(shù)量對(duì)氣動(dòng)減速性能和氣動(dòng)靜穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響。②變結(jié)構(gòu)透氣量時(shí)，隨著環(huán)片數(shù)量的增加、結(jié)構(gòu)透氣量的減小，流場(chǎng)內(nèi)第一尾渦區(qū)縮小，旋渦分布更為均勻；環(huán)數(shù)為2時(shí)，透氣孔較大的流速破壞第二尾渦區(qū)，不再出現(xiàn)典型的兩尾渦區(qū)結(jié)構(gòu)。③變結(jié)構(gòu)透氣量時(shí)環(huán)帆傘阻力特性隨環(huán)片數(shù)量的增加而增大；氣動(dòng)靜穩(wěn)定性則會(huì)受環(huán)片數(shù)量改變導(dǎo)致的尾渦分布、透氣量等因素變化的影響。根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果，環(huán)片數(shù)量為4 的環(huán)帆傘阻力性能和穩(wěn)定性能更好。