不同地面條件重裝空投氣囊著陸緩沖過(guò)程數(shù)值分析

連偉欣，侯斌，孫建紅，2，王從磊，張彤

（1.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)和信息化部實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

（2.南京航空航天大學(xué)宏光空降空投聯(lián)合技術(shù)中心，南京 210016）

（3.航空工業(yè)宏光空降裝備有限公司，南京 210022）

0 引 言

空投是指使用降落傘、制動(dòng)火箭、緩沖氣囊等裝置將物資投放至指定位置的一種空中投送技術(shù)，具有精準(zhǔn)安全等特點(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)、軍事演練及抗震救災(zāi)中應(yīng)用廣泛?？胀兜墓ぷ鬟^(guò)程一般分為：運(yùn)輸機(jī)引導(dǎo)傘拉出階段、傘繩拉直階段、主傘充氣階段、穩(wěn)定下降階段以及著陸緩沖階段。桂冰穎研究了貨物在牽引傘作用下沿艙內(nèi)軌道滑動(dòng)時(shí)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的影響，建立了機(jī)—貨二體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；張恒銘等建立了貨物連續(xù)出艙分析模型用于研究貨物連續(xù)出艙對(duì)飛機(jī)姿態(tài)的影響；李智針對(duì)運(yùn)輸機(jī)超低空空投時(shí)大氣擾動(dòng)現(xiàn)象提出了擾動(dòng)補(bǔ)償控制法；馮傳奇等采用任意拉格朗日—?dú)W拉（Arbitrary Lagrange-Euler，簡(jiǎn)稱ALE）有限元方法對(duì)某型重裝空投降落傘的充氣過(guò)程進(jìn)行了研究；湯健華建立了車載炮空投系統(tǒng)的主傘拉直、充氣、穩(wěn)定階段的動(dòng)力學(xué)模型；K. J. Desa?brais 等對(duì)某型沖壓空氣降落傘進(jìn)行了風(fēng)洞和空投試驗(yàn)，建立了降落傘空氣動(dòng)力學(xué)性能與織物透氣性之間的關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外一般采用數(shù)值模擬的方法對(duì)空投的著陸緩沖性能進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同著陸環(huán)境下空投著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行了大量數(shù)值研究。厲尚書(shū)對(duì)空投魚(yú)雷入水進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，探究了空投魚(yú)雷材料、入水速度對(duì)空投魚(yú)雷沖擊響應(yīng)的影響；趙慶新等對(duì)波浪條件下空投自主式水下運(yùn)載器低速入水進(jìn)行了研究，指出波浪環(huán)境下運(yùn)載器受力大于靜水環(huán)境，同時(shí)還研究了波浪參數(shù)、風(fēng)速、空投入水姿態(tài)對(duì)空投運(yùn)載器入水沖擊性能的影響；王一波等使用控制體積法（Control Volume，簡(jiǎn)稱CV）研究了小型電子設(shè)備著陸緩沖氣囊沖擊剛性地面的過(guò)程；唐曉慧等在剛性地面假設(shè)下對(duì)空投系統(tǒng)氣囊緩沖過(guò)程及貨臺(tái)與地面的碰撞過(guò)程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，探究了地面摩擦力對(duì)具有側(cè)向速度的空投系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；A.Taylor 等結(jié)合土壤地面探索了重裝空投安全氣囊沖擊衰減系統(tǒng)的適用性；王新春研究了橫風(fēng)干擾和著陸地面彈塑性對(duì)空投車載火箭炮著陸過(guò)程的影響，其所選用的地面模型為實(shí)砂土地面；吳磊使用了包括粉土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖以及中風(fēng)化砂巖在內(nèi)的三種地面材料對(duì)重型空投裝備的著陸過(guò)程進(jìn)行了分析；E.Fasanella 等開(kāi)發(fā)了可用于外太空星球探測(cè)器著陸過(guò)程研究的軟土有限元模型；Chen Jin?bao 等研究了月球土壤變形對(duì)月球探測(cè)器著陸過(guò)程穩(wěn)定性的影響。國(guó)內(nèi)外針對(duì)超大型或者重型裝備空投的數(shù)值研究一般基于剛性地面假設(shè)，這與空投復(fù)雜的工作環(huán)境不甚相符，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)雜環(huán)境下空投著陸性能研究的需求越來(lái)越迫切，但這方面的研究并不充分。

基于對(duì)復(fù)雜環(huán)境下空投著陸性能的研究需求，本文針對(duì)不同著陸環(huán)境，重點(diǎn)研究彈塑性土壤地面和剛性地面下空投系統(tǒng)的沖擊性能，分析土壤地面下不同速度對(duì)空投系統(tǒng)沖擊性能的影響，以期為重裝空投試驗(yàn)提供一定的理論參考和技術(shù)支撐。

1 計(jì)算方法與驗(yàn)證

1.1 計(jì)算方法

本文采用CV 法模擬空投系統(tǒng)中氣囊的緩沖過(guò)程。假定囊內(nèi)氣體為理想氣體且壓力、溫度均勻分布，并忽略氣囊內(nèi)外的熱量交換。氣囊內(nèi)部氣體方程：

式中：為氣囊內(nèi)部氣體壓力；為氣囊內(nèi)部氣體密度；為比內(nèi)能；為氣囊體積；下標(biāo)和+1 表示氣囊內(nèi)部氣體變化前后的狀態(tài)；為氣體絕熱常數(shù)。

土壤模型為ANSYS/LS-DYNA 模塊提供的MATl47（MAT_FHWA_SOIL）材料模型，同時(shí)采用該模塊提供的接觸算法，該模型考慮了土壤的孔隙率應(yīng)變硬化以及應(yīng)變軟化等問(wèn)題。土壤模型的主要材料參數(shù)如表1 所示。

表1 土壤模型的主要材料參數(shù)［17-18］Table 1 Material parameters of soil model［17-18］

1.2 算例驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)［21］中緩沖氣囊的室內(nèi)跌落試驗(yàn)對(duì)仿真建模方法進(jìn)行驗(yàn)證。配重平臺(tái)質(zhì)量為435 kg，網(wǎng)格大小為0.02 m。氣囊和地面均為殼單元，剛性地面固定不動(dòng)。

計(jì)算工況：豎直著陸初速度為6 m/s，大氣壓力為101.325 kPa，氣囊初始表壓為0.54 kPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖1 所示，可以看出：過(guò)載峰值出現(xiàn)的時(shí)刻差異很小，兩條曲線趨勢(shì)一致，證明數(shù)值方法可以滿足要求。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.1 Experimental data and simulation results

2 地面條件對(duì)沖擊性能的影響

2.1 計(jì)算模型

本文的空投系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，其有限元模型如圖3（a）所示，剛性地面和土壤地面的有限元模型分別如圖3（b）和圖3（c）所示。土壤模型網(wǎng)格加密示意圖如圖4 所示，加密區(qū)域的網(wǎng)格大小為0.04 m，網(wǎng)格向其他方向漸疏，土壤模型非撞擊的五個(gè)表面的邊界條件為無(wú)反射邊界條件。貨物的質(zhì)量為7 190 kg，貨臺(tái)的質(zhì)量為1 500 kg，貨物和貨臺(tái)剛性連接。六個(gè)圓柱體氣囊的上層黏合于各自對(duì)應(yīng)的上、下墊板，圓柱氣囊周向均勻分布六個(gè)排氣口，位置如圖5 所示。

圖2 空投模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Airdrop model

圖3 空投系統(tǒng)的有限元模型Fig.3 Finite element models of airdrop

圖4 土壤模型網(wǎng)格加密示意圖Fig.4 Schematic diagram of grid densification of soil model

圖5 氣囊編號(hào)及排氣孔位置示意圖Fig.5 Airbag number and vent position

2.2 地面模型與橫風(fēng)影響

首先選取剛性地面和土壤地面探究不同地面模型對(duì)空投系統(tǒng)著陸緩沖性能的影響。分兩種工況對(duì)空投系統(tǒng)的緩沖性能進(jìn)行研究，具體分析工況如表2 所示。

（1）豎直著陸沖擊：空投系統(tǒng)著陸于地面，豎直著陸速度v=8 m/s，無(wú)橫風(fēng)。

（2）前傾著陸沖擊：空投系統(tǒng)著陸于地面，豎直著陸速度v=8 m/s，橫向風(fēng)速v=4 m/s，方向?yàn)檩S正向。

表2 不同地面模型及工況列表Table 2 Working conditions list

豎直著陸、前傾著陸沖擊工況下，剛性地面模型與土壤地面模型不同時(shí)刻空投系統(tǒng)姿態(tài)對(duì)比如圖6～圖7 所示?？胀断到y(tǒng)撞擊地面的過(guò)程可分為氣囊接地緩沖階段、首次撞擊地面階段、首次回彈階段、衰減撞擊與回彈階段，靜止?fàn)顟B(tài)。

圖6 豎直著陸沖擊時(shí)剛體地面（上）與土壤地面（下）空投系統(tǒng)姿態(tài)對(duì)比Fig.6 Vertical landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

圖7 前傾著陸沖擊時(shí)剛體地面（上）與土壤地面（下）空投系統(tǒng)姿態(tài)對(duì)比Fig.7 Forward landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

兩種地面模型下貨物豎直方向過(guò)載對(duì)比及局部放大圖如圖8 所示。兩種地面模型下貨物豎直方向速度對(duì)比及局部放大圖如圖9 所示。兩種地面模型下貨物旋轉(zhuǎn)角度（繞軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正）和1 號(hào)氣囊壓力對(duì)比圖分別如圖10～圖11 所示。

圖8 兩種地面狀態(tài)下貨物豎向過(guò)載對(duì)比Fig.8 Vertical overload comparison of cargo between two ground model

圖9 兩種地面狀態(tài)下貨物豎向速度對(duì)比Fig.9 Vertical velocity comparison of cargo between two ground model

圖10 貨物旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比Fig.10 Rotation angle comparison of cargo between two ground model

圖11 1 號(hào)氣囊壓力對(duì)比Fig.11 Pressure comparison of airbag 1 between two ground model

氣囊接地緩沖階段貨臺(tái)只受來(lái)自氣囊的力，以1 號(hào)氣囊為例（圖11），在該時(shí)間段內(nèi)由于剛性下墊板撞擊地面時(shí)劇烈回彈而導(dǎo)致剛性地面下氣囊壓力大于土壤地面下氣囊的壓力，最終導(dǎo)致兩種典型工況下貨臺(tái)撞擊剛性地面的時(shí)刻晚于撞擊土壤地面的時(shí)刻，且剛性地面下貨物撞擊地面時(shí)的豎向速度小于土壤地面的豎向速度。初始豎向速度相同時(shí)，橫風(fēng)影響下貨物和貨臺(tái)會(huì)因氣囊的拉力和支持力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（圖7（c）），更早撞擊地面。

貨臺(tái)撞擊地面時(shí)進(jìn)入首次撞擊地面階段，貨物豎直方向的過(guò)載迅速增大。剛性地面與土壤地面兩種典型工況下空投系統(tǒng)重要參數(shù)對(duì)比如表3所示，可以看出：雖然貨臺(tái)撞擊土壤地面時(shí)的豎向速度大于撞擊剛性地面時(shí)的豎向速度，但土壤地面的變形效應(yīng)（如圖12 所示）使得豎直沖擊時(shí)，土壤地面下貨物的峰值過(guò)載與剛性地面下貨物的豎直方向最大過(guò)載差異不大（5.26%）；橫風(fēng)影響下，土壤地面下貨物的豎直方向最大過(guò)載小于剛性地面下的最大過(guò)載，差異為21.54%。

表3 剛性地面與土壤地面兩種典型工況下空投系統(tǒng)重要參數(shù)對(duì)比Table 3 Key parameters comparison of airdrop system between rigid and soil ground

圖12 空投系統(tǒng)沖擊過(guò)程中對(duì)土壤地面的侵徹和破壞現(xiàn)象Fig.12 Phenomenon of penetration and damage of soil

巨大的沖擊力會(huì)使空投系統(tǒng)發(fā)生首次回彈。從圖9（a）可以看出：兩種典型工況下，空投系統(tǒng)會(huì)在重力的作用下再次撞擊土壤地面，但不會(huì)劇烈地回彈，將逐漸達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)；剛性地面下空投系統(tǒng)在經(jīng)歷衰減撞擊與回彈后逐漸達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)（圖6（f））。

從圖10 可以看出：在橫風(fēng)影響下，空投系統(tǒng)在沖擊過(guò)程中會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

3 橫風(fēng)速度對(duì)空投沖擊性能的影響

使用土壤地面模型對(duì)豎直著陸、前傾著陸沖擊工況進(jìn)行探究，研究工況如表4 所示。

表4 土壤地面下工況列表Table 4 Working conditions list of soil landing

貨物的豎向加速度、橫向（向）速度以及貨物旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比分別如圖13～圖15 所示。

圖13 貨物z 向過(guò)載對(duì)比Fig.13 Comparison of vertical acceleration

圖14 貨物橫向（y 向）速度對(duì)比Fig.14 Comparison of lateral velocity

圖15 貨物旋轉(zhuǎn)角度對(duì)比Fig.15 Comparison of rotation angle

從圖13 可以看出：當(dāng)空投系統(tǒng)的初始豎直速度相同時(shí)，橫向風(fēng)速越大，貨臺(tái)撞擊地面的時(shí)刻越早、貨臺(tái)第一次撞擊階段貨物豎直方向的峰值過(guò)載越大；當(dāng)橫風(fēng)速度相同時(shí)，初始豎直速度越大，貨物豎直方向的峰值過(guò)載越大。

從圖14～圖15 可以看出：六種典型工況下空投系統(tǒng)都會(huì)經(jīng)歷氣囊接地緩沖階段、首次撞擊地面階段、首次回彈階段、衰減撞擊與回彈階段，逐漸達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)；橫風(fēng)影響下的空投系統(tǒng)在衰減撞擊與回彈階段不會(huì)劇烈地回彈，也不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，滿足空投系統(tǒng)的安全條件。

各工況下貨物關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表5 所示。

表5 各工況下貨物關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of key parameters

4 結(jié) 論

（1）空投系統(tǒng)豎直沖擊地面時(shí)，兩種地面模型下貨物的最大過(guò)載差異很?。?.26%）；空投系統(tǒng)在橫風(fēng)影響下沖擊地面時(shí)，剛性地面下貨物的最大過(guò)載與土壤地面模型差異很大，達(dá)到21.54%。故在研究橫風(fēng)對(duì)空投的地面緩沖性能的影響時(shí)，剛性地面假設(shè)不適用，需考慮土壤地面的變形效應(yīng)。

（2）土壤地面下，空投系統(tǒng)的初始豎向速度相同時(shí)，橫向風(fēng)速越大，豎向峰值過(guò)載越大；橫向風(fēng)速相同時(shí)，初始豎向速度越大，豎向峰值過(guò)載越大。橫風(fēng)影響下的空投系統(tǒng)均不會(huì)側(cè)翻，滿足空投系統(tǒng)安全條件。