空投聲吶浮標(biāo)降落傘的設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

來(lái)杭生

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

聲吶浮標(biāo)是一種檢測(cè)水下目標(biāo)的聲吶器材，主要由飛機(jī)在高空中以一定的初速度向下投放，因此需要一個(gè)減速降落裝置來(lái)保證浮標(biāo)在入水時(shí)的速度，防止浮標(biāo)入水速度太快而損壞內(nèi)部的元器件。降落傘由織物制成，質(zhì)地柔軟，充滿后可以獲得比原來(lái)折疊狀態(tài)大好幾十倍到幾百倍的阻力面，可以大大降低物體在空氣中的運(yùn)動(dòng)速度。降落傘還能在物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起穩(wěn)定作用，保證浮標(biāo)入水時(shí)一定的角度。本文對(duì)常見(jiàn)降落傘進(jìn)行了研究分析，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)特性的對(duì)比，以及浮標(biāo)入水時(shí)的速度要求，得出降落傘的具體結(jié)構(gòu)形狀及尺寸。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證降落傘的穩(wěn)定性。

1 降落傘設(shè)計(jì)

1.1 傘形設(shè)計(jì)

降落傘的形狀是其在未充氣時(shí)的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)分類的，不同結(jié)構(gòu)形狀的降落傘在工作過(guò)程中具有不同的氣動(dòng)特性。

(1)方形傘

方形傘衣結(jié)構(gòu)為切去四角的平面方形，由數(shù)幅織物鎖縫而成，如圖1所示。傘衣上縫有加強(qiáng)帶，以加強(qiáng)傘衣的強(qiáng)度及限制織物可能撕破的范圍。方形傘的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，材料利用率高，但其開(kāi)傘過(guò)程中傘衣各部分錯(cuò)位較為嚴(yán)重，易造成傘衣與傘繩、傘衣與傘衣抽打損傷，受力不均時(shí)易產(chǎn)生局部破損。靜穩(wěn)定的迎角范圍為±20°。

圖1 方形傘衣平面示意圖

(2)圓形傘

圓形傘在俯視圖中為一圓形，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，工作可靠，開(kāi)傘時(shí)受力較均勻，多數(shù)傳統(tǒng)降落傘以圓形傘作為基本結(jié)構(gòu)。圓形傘包括平面圓形傘、底邊延伸型傘和成形幅傘。平面圓形傘由合頂角為360°的等腰梯形組成，如圖2所示。相鄰梯形的腰相互縫合，傘繩沿徑向穿過(guò)縫合部間隙，穿過(guò)傘衣的傘繩長(zhǎng)度比傘衣縫合部稍短。頂孔的直徑通常為傘衣直徑的5%～15%。其阻力系數(shù)一般為0.75～0.80，靜穩(wěn)定迎角范圍為±10°～40°。

圖2 圓形傘衣平面示意圖

平面圓形傘傘衣在充滿時(shí)受力不均，其頂部受力最大，易被破壞。

(3)帶條傘

帶條傘傘衣由同心帶條組成，如圖2-3所示，由平行于底邊的水平帶條和垂直于底邊的垂直帶條所組成。一般帶條傘的阻力系數(shù)為0.45～0.50，且隨結(jié)構(gòu)透氣量的變化而變化。帶條傘的穩(wěn)定性非常好，其靜穩(wěn)定迎角范圍為0～±3°，常用于高速大負(fù)載的減速傘。但是其工藝性要求非常高，必須保證良好的對(duì)稱性，稍不對(duì)稱的情況下，傘衣就易產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 帶條傘衣平面示意圖

(4）旋轉(zhuǎn)傘

旋轉(zhuǎn)傘傘衣形狀具有中心對(duì)稱，在充滿時(shí)，傘衣上具有方向一致的排氣口。旋轉(zhuǎn)傘從空中下降時(shí)，氣流主要通過(guò)傘衣上方向一致的排氣口排出，排出的氣體所產(chǎn)生的作用力矩使傘衣繞中心軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)傘下降時(shí)的高速旋轉(zhuǎn)使物傘系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，主要用于彈射座椅穩(wěn)定傘、炸彈減速傘、空投重物的穩(wěn)定傘等。旋轉(zhuǎn)傘較一般降落傘而言，具有較高的穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是工藝性復(fù)雜、加工要求較高，且在傘與物之間需要轉(zhuǎn)子過(guò)渡。

(5）十字形傘

十字形傘的結(jié)構(gòu)呈十字形，由兩個(gè)相同矩形織物面成直角相交連接，形成一個(gè)具有四個(gè)相同側(cè)福的平表面，如圖4所示。影響十字形傘氣動(dòng)性能的主要參數(shù)是它的臂長(zhǎng)比，即組成十字形傘的矩形織物的長(zhǎng)寬比。臂長(zhǎng)比大于3的十字形傘較為穩(wěn)定，靜穩(wěn)定迎角范圍為0°～±3°。十字形傘具有穩(wěn)定性好、材料利用率高、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于阻力傘、航彈傘、投物傘等。但是十字形傘較易旋轉(zhuǎn)，加工時(shí)要控制其對(duì)稱性。

圖4 十字形傘衣平面示意圖

本文所設(shè)計(jì)的降落傘用于空投聲吶浮標(biāo)使用，浮標(biāo)在入水時(shí)要盡量垂直于水平面，即靜穩(wěn)定迎角要盡量小，同時(shí)浮標(biāo)中無(wú)法裝入體積較大的傘衣，傘衣的結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，易于制造，因此選擇十字形傘作為浮標(biāo)的降落傘。

1.2 傘衣及傘繩設(shè)計(jì)

降落傘主要由傘衣和12根傘繩組成，傘衣的形狀如圖4所示，按降落傘各邊長(zhǎng)均為W進(jìn)行計(jì)算，降落傘面積S傘衣=5W2。

浮標(biāo)降落過(guò)程中，傘衣充滿呈半球形，如圖所示。

圖5 降落傘展開(kāi)示意圖

其中d為浮標(biāo)直徑，D為降落傘投影直徑，L為降落傘傘繩實(shí)際長(zhǎng)度，Lsh為降落傘傘繩名義長(zhǎng)度，滿足如下等式：

其中

D0為十字降落傘矩形織物的長(zhǎng)度；

ξ和η為常數(shù)，根據(jù)傘形確定；

傘繩一般采用高強(qiáng)度材料，在浮標(biāo)剛離機(jī)時(shí)，降落傘傘繩需承受的過(guò)載沖擊滿足如下等式：

其中

ρ為海平面空氣密度，

v為浮標(biāo)剛離機(jī)時(shí)的速度，

CD為降落傘空氣阻力系數(shù)，

S0為降落傘充氣后的投影面積。

2 聲吶浮標(biāo)下降過(guò)程仿真分析

聲吶浮標(biāo)在飛機(jī)上被投下后，降落傘的過(guò)程主要分為拉直、充氣和穩(wěn)定三個(gè)階段。

降落傘拉直階段指降落傘從傘袋中被帶出的過(guò)程，浮標(biāo)在此過(guò)程中主要分為水平運(yùn)動(dòng)、豎直運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；降落傘充氣階段指降落傘從傘袋中拉出到傘衣完全充滿成半球形的整個(gè)過(guò)程，該過(guò)程時(shí)間非常短；降落傘穩(wěn)定階段指降落傘傘衣充滿后穩(wěn)定減速下降至勻速下降的過(guò)程。

圖6 浮標(biāo)空中示意圖

以浮標(biāo)重心位置為原點(diǎn)飛機(jī)飛行方向?yàn)閤軸，指向地心為y軸，z軸滿足右手法則，建立坐標(biāo)系，如圖所示。

浮標(biāo)空中運(yùn)動(dòng)模型可用如下方程組表示：

其中：

v為聲吶浮標(biāo)空中運(yùn)動(dòng)速度；

θ為聲吶浮標(biāo)速度與飛機(jī)飛行速度之間的夾角；

h為浮標(biāo)下降高度；

g為重力加速度；

Cd為降落傘阻力系數(shù)；

S為降落傘阻力面積；

ρ為空氣密度，一般為1.225kg/m3；

m為浮標(biāo)質(zhì)量。

按照浮標(biāo)重量16kg，在300m空投高度、飛機(jī)平飛速度為550km/h時(shí)，浮標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)速度與下降高度變化曲線、傾角與下降高度變化曲線及下降高度與時(shí)間變化曲線如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 浮標(biāo)速度隨高度變化曲線圖

圖8 浮標(biāo)角度隨高度變化曲線圖

圖9 浮標(biāo)下降高度隨時(shí)間變化曲線圖

從仿真結(jié)果可以看出，飛機(jī)在投放浮標(biāo)約14.5s后入水，入水速度在24.7m/s，浮標(biāo)入水角度約為89.5°，基本以垂直姿態(tài)入水。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)降落傘的對(duì)比，選擇了十字形傘作為浮標(biāo)投放用的降落傘，其具有體積小，制作工藝簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。按照浮標(biāo)投放時(shí)飛機(jī)平飛速度550km/h，投放高度300m進(jìn)行計(jì)算，浮標(biāo)離機(jī)約14.5s后入水，速度約24.7m/s，入水角度約89.5°，基本以垂直姿態(tài)入水，所設(shè)計(jì)的降落傘基本滿足使用要求。