基于拉直速度基準(zhǔn)的救生傘高速空投試驗(yàn)條件的確定

程子強(qiáng) 張?chǎng)稳A 張龍臻

摘要：救生傘作為飛行員生命保障的關(guān)鍵裝備，在其研制時(shí)需要進(jìn)行大量的邊界工況空投試驗(yàn)，而救生傘高速空投試驗(yàn)的開(kāi)傘載荷數(shù)據(jù)不易準(zhǔn)確獲取，從而影響救生傘性能的真實(shí)評(píng)價(jià)。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)救生傘高速空投試驗(yàn)的現(xiàn)狀分析，提出了以拉直速度代替開(kāi)傘速度作為救生傘高速空投試驗(yàn)基準(zhǔn)的新方法，結(jié)合數(shù)據(jù)分析和仿真計(jì)算，得到不同試驗(yàn)方法下開(kāi)傘—拉直過(guò)程傘系統(tǒng)速度衰減值，據(jù)此確定不同試驗(yàn)方法救生傘高速空投試驗(yàn)條件。本研究旨在提高我國(guó)救生傘產(chǎn)品性能驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高飛行員的安全救生能力。

關(guān)鍵詞：降落傘；氣動(dòng)特性；拉直速度；載荷；試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：V244.21+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.007

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)超聲速巡航、高機(jī)動(dòng)飛行性能的提高，救生系統(tǒng)的救生包線(xiàn)擴(kuò)大。救生傘在高速開(kāi)傘條件下會(huì)產(chǎn)生巨大開(kāi)傘載荷[1]，若超出人體耐受極限則會(huì)對(duì)飛行員生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅，我國(guó)軍標(biāo)對(duì)人體脊柱方向耐受的開(kāi)傘載荷有嚴(yán)格規(guī)定[2]，因此，在救生傘研制中需對(duì)開(kāi)傘載荷指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)考核。

降落傘工作過(guò)程具有大變形、非線(xiàn)性、強(qiáng)流固耦合特征[3-4]，充氣展開(kāi)需要很大的空間，因此其性能驗(yàn)證受試驗(yàn)方法、試驗(yàn)環(huán)境條件影響較大[5]，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)大，需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)才能獲得救生傘真實(shí)性能[6-7]。

在救生傘的性能驗(yàn)證中，彈射試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，但由于受試驗(yàn)數(shù)量及試驗(yàn)高度限制無(wú)法作為救生傘開(kāi)傘載荷驗(yàn)證的常規(guī)手段。目前，我國(guó)通常采用飛機(jī)高速空投假人（佩掛有救生傘的人傘系統(tǒng)）試驗(yàn)方法，但由于假人姿態(tài)的不穩(wěn)定性，造成開(kāi)傘載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真嚴(yán)重[8]。由此，我國(guó)擬在救生傘開(kāi)傘載荷測(cè)量中使用空投試驗(yàn)彈的新方法以解決載體姿態(tài)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。由于試驗(yàn)彈阻力特征較假人小，若仍以開(kāi)傘速度作為基準(zhǔn)試驗(yàn)條件，則投放后速度衰減小而導(dǎo)致拉直速度較假人方式大，因開(kāi)傘載荷與拉直速度直接相關(guān)（見(jiàn)本文第2節(jié)分析），故帶來(lái)過(guò)分考核的問(wèn)題，因此需要研究確定拉直速度基準(zhǔn)下的試驗(yàn)條件（開(kāi)傘速度）。

1救生傘高速試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

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

1.1座椅彈射試驗(yàn)

座椅彈射試驗(yàn)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(mǎn)—攜帶飛行員（假人）安全著陸，光測(cè)設(shè)備獲得系統(tǒng)軌跡、速度、加速度等參數(shù)，電測(cè)設(shè)備（安裝在假人胸腔內(nèi)的過(guò)載傳感器）獲得救生傘開(kāi)傘載荷。該方法以規(guī)定的開(kāi)傘速度為基準(zhǔn)設(shè)置試驗(yàn)條件，結(jié)果最為真實(shí)，最貼近實(shí)際使用工況。

座椅彈射試驗(yàn)特別是高速?gòu)椛湓囼?yàn)成本高、試驗(yàn)樣本量少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以獲取救生傘的固有特性，同時(shí)由于彈射試驗(yàn)一般在地面進(jìn)行，無(wú)法考核救生傘的高空開(kāi)傘特性。

1.2飛機(jī)空投假人試驗(yàn)

飛機(jī)空投假人試驗(yàn)通過(guò)采用飛機(jī)懸掛傘/假人系統(tǒng)，將救生傘開(kāi)傘速度（開(kāi)包速度）作為基準(zhǔn)，以規(guī)定速度/高度投放。利用GPS測(cè)速設(shè)備，對(duì)飛機(jī)空投過(guò)程中的救生傘離機(jī)速度進(jìn)行測(cè)試；救生傘操縱帶上安裝力傳感器，對(duì)空投過(guò)程中操縱帶受力情況進(jìn)行測(cè)試；假人胸腔質(zhì)心位置安裝過(guò)載傳感器以測(cè)量空投過(guò)程中開(kāi)傘過(guò)載。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1、圖2所示。

空投假人試驗(yàn)中常以胸腔過(guò)載模擬人體脊柱方向所受開(kāi)傘沖擊載荷。假人在高空投放時(shí)受載機(jī)尾流及假人形狀影響會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律的翻滾現(xiàn)象，導(dǎo)致假人角速度較大。為研究假人姿態(tài)對(duì)開(kāi)傘載荷的影響，本文進(jìn)行了高速空投試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，在相同開(kāi)傘速度條件下，開(kāi)傘載荷與角速度（合成值）呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)表1與圖3。初步分析認(rèn)為假人因角速度產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)向心力與救生傘開(kāi)傘載荷產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)得的開(kāi)傘過(guò)載及角速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4）可以看出，開(kāi)傘過(guò)載與角速度曲線(xiàn)規(guī)律一致，開(kāi)傘過(guò)載的峰值時(shí)間與角速度峰值時(shí)間非常接近（如圖4均在1.5s處），再次說(shuō)明救生傘開(kāi)傘過(guò)程中，開(kāi)傘過(guò)載受到了角速度的影響。

綜上分析，受假人姿態(tài)影響，飛機(jī)高速空投假人試驗(yàn)測(cè)量的救生傘開(kāi)傘載荷存在附加因素。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者針對(duì)減少假人翻滾對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響進(jìn)行了相關(guān)研究，如劉丹陽(yáng)等采用小波熵對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)研究飛機(jī)空投假人試驗(yàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法以減小假人姿態(tài)對(duì)試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)合理的修正。

1.3試驗(yàn)彈空投試驗(yàn)

為消除空投試驗(yàn)假人不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，我們開(kāi)展了空投試驗(yàn)彈方法的研究。試驗(yàn)彈空投試驗(yàn)采用飛機(jī)外掛試驗(yàn)彈（救生傘安裝在彈艙內(nèi)）進(jìn)行空投的方式，該方法試驗(yàn)載體穩(wěn)定性好，能夠很大程度地避免假人空投時(shí)因姿態(tài)不好產(chǎn)生的三向角速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的不利影響，同時(shí)試驗(yàn)成本較彈射試驗(yàn)低，且試驗(yàn)環(huán)境接近真實(shí)工況?？胀对囼?yàn)彈的空中姿態(tài)如圖5所示。

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

對(duì)試驗(yàn)彈空投試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其前置體為流線(xiàn)形低阻彈體，阻力特征為0.2m2，較假人的0.46m2小，在開(kāi)傘—拉直過(guò)程中速度衰減量較小，即在相同開(kāi)傘速度條件下其拉直速度較大，因而測(cè)得的開(kāi)傘載荷較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)超標(biāo)。因此，試驗(yàn)彈試驗(yàn)必須保持與其他試驗(yàn)方式中拉直速度的一致才能達(dá)到更真實(shí)的開(kāi)傘載荷模擬。

2救生傘開(kāi)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(kāi)傘動(dòng)載與拉直速度的平方成正比例關(guān)系。因此空投試驗(yàn)中應(yīng)該以系統(tǒng)拉直速度VL來(lái)計(jì)算最大開(kāi)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(kāi)傘載荷大小的直接依據(jù)。

目前我國(guó)救生傘高速空投試驗(yàn)使用開(kāi)傘速度作為基準(zhǔn)設(shè)置試驗(yàn)條件，不利于對(duì)救生傘性能的準(zhǔn)確考量，而試驗(yàn)彈空投試驗(yàn)方法更加凸顯了這一矛盾。救生傘空投試驗(yàn)中，要獲得更加準(zhǔn)確的開(kāi)傘過(guò)載數(shù)據(jù)，其拉直速度應(yīng)與彈射試驗(yàn)的拉直速度相統(tǒng)一，因此需分析救生傘在各試驗(yàn)方法下開(kāi)傘—拉直過(guò)程速度衰減，確定以拉直速度為基準(zhǔn)的試驗(yàn)條件。

3不同試驗(yàn)方法開(kāi)傘—拉直過(guò)程速度衰減分析

3.1座椅彈射試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在6次高速?gòu)椛湓囼?yàn)中設(shè)定理論開(kāi)傘速度為650km/h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，實(shí)際測(cè)得的開(kāi)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(dòng)，但變化不大（考慮到救生傘試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有波動(dòng)大的特點(diǎn)，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(kāi)傘時(shí)的速度衰減，進(jìn)行了仿真計(jì)算。在海拔高度0、4000m、7000m及設(shè)定開(kāi)傘速度條件下，仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3仿真數(shù)據(jù)可知，在開(kāi)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(shí)際彈射試驗(yàn)時(shí)開(kāi)傘速度641.1km/h、海拔高度為134m（空氣密度與仿真計(jì)算0高度開(kāi)傘條件差距極小），速度衰減均值為116.3km/h，仿真計(jì)算結(jié)果符合性較好；將仿真計(jì)算與彈射試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，使用最小二乘法繪制擬合曲線(xiàn)（見(jiàn)圖6），表明仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(guò)程速度衰減量減小，仿真結(jié)果滿(mǎn)足式（1）。綜上，可以證明仿真計(jì)算結(jié)果具有一定工程應(yīng)用參考意義。

3.2空投假人試驗(yàn)

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

表4中數(shù)據(jù)顯示，以空投假人方式進(jìn)行高速開(kāi)傘載荷試驗(yàn)，救生傘從打開(kāi)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(yàn)相比，速度衰減比率基本相當(dāng)，衰減值稍小，因空投用假人為無(wú)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(dǎo)致，同時(shí)也與試驗(yàn)海拔高度、開(kāi)傘速度等因素影響有關(guān)[13]。

3.3空投試驗(yàn)彈試驗(yàn)

同一傘型救生傘，在海拔4000m進(jìn)行空投試驗(yàn)彈試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，試驗(yàn)彈空投試驗(yàn)中救生傘的開(kāi)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(yàn)彈的阻力特征小，開(kāi)傘至拉直過(guò)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(zhǔn)拉直速度及速度衰減量確定開(kāi)傘速度。

4不同空投試驗(yàn)方法開(kāi)傘條件的確定

4.1試驗(yàn)條件基準(zhǔn)的確定

根據(jù)前述分析，高速空投試驗(yàn)若與彈射試驗(yàn)一樣使用開(kāi)傘速度作為基準(zhǔn)開(kāi)傘條件不利于救生傘高速開(kāi)傘性能的準(zhǔn)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(kāi)傘載荷與拉直速度的平方成正比例關(guān)系，而與開(kāi)傘速度沒(méi)有直接聯(lián)系，用拉直速度代替開(kāi)傘速度作為救生傘高速開(kāi)傘試驗(yàn)條件的基準(zhǔn)有利于提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4.2試驗(yàn)方法基準(zhǔn)的確定

對(duì)彈射式救生傘來(lái)說(shuō)，座椅彈射試驗(yàn)是最接近真實(shí)工況的試驗(yàn)。因此，為保證空投試驗(yàn)方法獲得的結(jié)果具有一致性，應(yīng)以座椅彈射試驗(yàn)的拉直速度作為基礎(chǔ)。由于地面空氣密度等環(huán)境條件與真實(shí)工況下的高空環(huán)境有所差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致開(kāi)傘過(guò)載等試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確[15]，故應(yīng)在設(shè)置試驗(yàn)條件時(shí)輔以仿真計(jì)算得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.3高速空投試驗(yàn)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(kāi)傘速度650km/h、開(kāi)傘高度4000m指標(biāo)的空投試驗(yàn)彈試驗(yàn)為例（？V為9km/h， Vk為650km/h，？Vt為83.5km/h），其修正后的試驗(yàn)條件為：開(kāi)傘速度575.5km/h、開(kāi)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(yàn)條件，該方法將在后續(xù)空投試驗(yàn)中進(jìn)一步檢驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，此計(jì)算案例為原理性展示，由于文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真計(jì)算工況的局限，具體數(shù)據(jù)需在深入分析、計(jì)算的基礎(chǔ)上得出。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)救生傘高速空投試驗(yàn)方法及拉直速度差異分析，為避免過(guò)分考核，本文通過(guò)彈射試驗(yàn)、高空空投試驗(yàn)和試驗(yàn)彈試驗(yàn)等相關(guān)數(shù)據(jù)以及仿真分析，對(duì)救生傘高速空投試驗(yàn)條件設(shè)置基準(zhǔn)進(jìn)行了分析，分析發(fā)現(xiàn)救生傘高速空投試驗(yàn)條件以拉直速度為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置可以使試驗(yàn)結(jié)果更接近產(chǎn)品本身固有特性；具體設(shè)置方法是開(kāi)傘速度等于基準(zhǔn)拉直速度加上該試驗(yàn)方法下開(kāi)傘—拉直過(guò)程速度衰減量。

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（責(zé)任編輯皮衛(wèi)東）

作者簡(jiǎn)介

程子強(qiáng)（1995-）男，學(xué)士，設(shè)計(jì)員。主要研究方向：降落傘。Tel：13147158407

E-mail：492772856@qq.com

張?chǎng)稳A（1978-）男，學(xué)士，高級(jí)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(xué)士，研究員。主要研究方向：防護(hù)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