基于風(fēng)洞試驗的組合翼傘氣動特性研究

楊鋒魁，劉 琦

(1.航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；2.航空防護(hù)救生技術(shù)航空科技重點試驗室，湖北 襄陽 441003)

沖壓式翼傘(后統(tǒng)稱翼傘)由傘衣、傘繩、操縱繩、穩(wěn)定面、收口裝置、吊帶等組成[1]，因其獨有的可操縱性和良好的滑翔性能和穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于精確空投領(lǐng)域，但是大型翼傘的制造、組裝、包裝和回收過程需要大量的時間，而且相當(dāng)復(fù)雜。相對于常規(guī)翼傘，組合翼傘可以有效解決超大型翼傘在加工、使用、維護(hù)方面存在的一系列問題，在重裝精確空投領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

翼傘氣動特性研究方法主要包括計算機(jī)仿真計算、風(fēng)洞試驗和空投試驗。20世紀(jì)60年代，美國開始針對翼傘進(jìn)行了經(jīng)典的風(fēng)洞試驗研究[2]，并在20世紀(jì)80年代補充了大量的空投試驗。2007年美國陸軍士兵研究開發(fā)和工程中心(Natick)與Para-Flite公司研制的組合翼傘Megafly的成功開傘、充氣、飛行和導(dǎo)航驗證了組合翼傘設(shè)計的可行性[3]。國內(nèi)目前開展的翼傘研究主要針對常規(guī)翼傘，并且開展翼傘風(fēng)洞試驗較少且大多采用半剛性模型風(fēng)洞試驗[4-6]，文獻(xiàn)[7]采用空投試驗進(jìn)行翼傘的研究；文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[16]利用計算機(jī)仿真技術(shù)研究翼型結(jié)構(gòu)等因素對翼傘氣動性能的影響，這是目前采用最多的方法?？偟膩碚f，國內(nèi)針對組合翼傘氣動特性的研究比較匱乏，制約著國內(nèi)超大型翼傘設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展。

筆者通過設(shè)計柔性組合翼傘試驗?zāi)Ｐ?16 m2)在國內(nèi)的8 m×6 m直流開口式風(fēng)洞中開展試驗，主要研究組合翼傘在不同迎角下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)變化情況。本次風(fēng)洞試驗采取光測實際迎角、六分量天平測氣動力(矩)的方式，有效獲取了組合翼傘的真實氣動數(shù)據(jù)。通過分析組合翼傘的氣動特性，為組合翼傘的仿真計算提供依據(jù)，并對未來超大型組合翼傘的設(shè)計進(jìn)行開拓性探索。

1 組合翼傘試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

1.1 組合翼傘方案

國內(nèi)外相關(guān)資料研究表明，20 t級精確空投系統(tǒng)翼傘面積預(yù)計將達(dá)到1000 m2級別，由于大型翼傘具有面積大、質(zhì)量大的特點，在加工生產(chǎn)、包裝使用、回收維護(hù)等方面都存在一系列問題。國外已開展大型組合翼傘的探索研究，借鑒常規(guī)重裝空投系統(tǒng)中群傘設(shè)計理念，使用模塊組合的方式來進(jìn)行大型翼傘的設(shè)計。該思路可以有效解決大型翼傘在加工、使用、維護(hù)方面存在的一系列問題。

采用模塊組合的方式來進(jìn)行大型翼傘的設(shè)計，使組合翼傘與常規(guī)翼傘的結(jié)構(gòu)存在較大差異。組合翼傘的組合方式、位置和組合模塊的數(shù)量等均會引起沖壓翼傘氣動性能的變化，因此本文借助風(fēng)洞試驗開展組合翼傘的氣動特性研究。

1.2 組合翼傘具體設(shè)計

參考風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)滿足低速風(fēng)洞對模型阻塞度的要求，試驗?zāi)Ｐ偷淖畲笥L(fēng)面積不超過風(fēng)洞試驗段橫截面積的5%，結(jié)合本次風(fēng)洞試驗場地特征，確定本次風(fēng)洞試驗所用模型為16 m2組合翼傘，并確定其設(shè)計方案,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 16 m2組合翼傘

1.2.1 組合翼傘的模塊化設(shè)計

本研究涉及組合翼傘分3個模塊進(jìn)行設(shè)計，其中左右兩個模塊各包含2個氣室，中間模塊包含3個氣室，相鄰模塊的組合方式通過上、下翼面設(shè)置連接點進(jìn)行連接，在連接點位置設(shè)置連接扣，再通過快卸式連接繩進(jìn)行連接，以便能夠快速固定和分離，將3個模塊拼接在一起形成組合翼傘。

1.2.2 組合翼傘基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

組合翼傘由3個模塊7個氣室組成，展長為5.824 m，弦長為2.759 m，傘繩特征長度為3.241 m，傘衣安裝角為5°，傘繩數(shù)量40根，無滑布。翼面采用矩形，傘衣選用不透氣的涂層織物制成上、下翼面，中間連以具有翼型的肋片，傘衣前緣開有切口便于空氣進(jìn)入形成氣室。為了減少傘繩對試驗的干擾，每個翼傘模塊采取承載肋片和成型肋片交替使用的方式進(jìn)行翼傘模塊的設(shè)計。

為了提高組合翼傘迎角轉(zhuǎn)變跟隨性，同時滿足試驗對象置于風(fēng)洞中心的要求，采用傘繩截斷方式進(jìn)行設(shè)計，傘繩截斷后特征長度為2.865 m，截斷后的傘繩與傘繩安裝框架上的安裝位置一一對應(yīng)。選用傘繩直徑為2 mm，截斷部分相對組合翼傘整體阻力可忽略不計，對組合翼傘升力無影響，對氣動力測量的影響可忽略不計。

2 試驗方案

2.1 試驗方案選擇

目前常用的翼傘氣動特性分析手段包括計算機(jī)仿真計算、風(fēng)洞試驗和空投試驗。仿真計算結(jié)果精度往往取決于對復(fù)雜流場仿真前置處理時的邊界條件、物性參數(shù)等的定義是否與實際一致，一般需要參考風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)才能確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性?？胀对囼炓话阒荒塬@得翼傘運動狀態(tài)(軌跡、姿態(tài)、航向)的變化，無法獲得氣動數(shù)據(jù)。風(fēng)洞試驗需在室內(nèi)進(jìn)行，具有效率高、成本低和試驗數(shù)據(jù)精確度高等優(yōu)點，比較適合本研究，因此選用風(fēng)洞試驗開展組合翼傘氣動特性研究。

2.2 風(fēng)洞試驗具體方案

通過雙支桿腹部支撐裝置調(diào)節(jié)傘繩安裝框架的角度，實現(xiàn)對翼傘迎角的調(diào)節(jié)。利用光測設(shè)備測出試驗翼傘上標(biāo)記點動態(tài)坐標(biāo)，計算出翼傘實際迎角。六分量天平信號通過導(dǎo)線傳輸至采集設(shè)備進(jìn)行采集，然后通過網(wǎng)線和交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)存儲，最終經(jīng)過數(shù)據(jù)處理測出不同迎角下組合翼傘的氣動力(矩)系數(shù)。

2.2.1 試驗件安裝方案

試驗臺架和試驗件包含底座、雙支桿腹部支撐裝置、天平、傘繩安裝框架和組合翼傘。首先將試驗底座按要求擺放至風(fēng)洞試驗段合適位置，并將雙支桿腹部支撐裝置固定在底座上。按照天平浮動框與轉(zhuǎn)接件安裝要求,在地面將天平與傘繩安裝框架完成安裝后，再把組合翼傘安裝在傘繩安裝框架上，傘繩提前預(yù)留好長度，直接利用繩扣鎖住即可。利用一個矩形框架和4根牽頂繩，在組合翼傘上翼面合適位置為組合翼傘牽頂，便于組合翼傘充氣并減少開傘過程中傘繩鉤掛。最后利用行吊將矩形框架、組合翼傘、傘繩安裝框架和天平整體吊起，吊起過程中利用升降車輔助托起傘繩安裝框架，最終通過螺釘將天平和傘繩安裝框架固定在雙支桿腹部支撐裝置上，完成試驗件的安裝。試驗件安裝方案如圖2所示。

圖2 試驗件安裝方案

2.2.2 測試方案

測試方案主要用于測試在不同迎角下組合翼傘的升阻力(矩)參數(shù)，包括迎角測試和氣動力(矩)測試，具體如下。

① 迎角測試方案。采用光學(xué)測試的方法，3臺高速攝像機(jī)分散布置在風(fēng)洞試驗場地合適位置，拍攝組合翼傘上提前標(biāo)記好的特征點，通過前方交會計算各特征點坐標(biāo)。計算處理得到標(biāo)記特征點動態(tài)坐標(biāo)，最終可以計算出翼傘在穩(wěn)定狀態(tài)下的實際迎角。

② 氣動力(矩)測試方案。采用六分量天平獲取組合翼傘在不同迎角狀態(tài)下的氣動力(矩)數(shù)據(jù)，天平信號通過導(dǎo)線傳輸至采集設(shè)備DH5902進(jìn)行采集，然后通過網(wǎng)線和交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)存儲處理。

為保證兩測試方案在時間維度上的統(tǒng)一，采用一套時統(tǒng)控制盒提供光測高速視頻啟動信號并同時通過電測測試設(shè)備采集，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)時間上的統(tǒng)一。

3 試驗內(nèi)容

3.1 組合翼傘變迎角吹風(fēng)試驗概述

組合翼傘變迎角吹風(fēng)試驗如圖3所示。試驗開始前先將支撐裝置阿爾法機(jī)構(gòu)角度設(shè)置為預(yù)定角度，給定一個小風(fēng)速使組合翼傘氣室初步充氣，確保無異常后加大至預(yù)設(shè)風(fēng)速并保持穩(wěn)定，利用時統(tǒng)控制盒同時觸發(fā)光測和天平測試系統(tǒng)，即可采集此狀態(tài)下的原始光測數(shù)據(jù)和天平測試氣動力(矩)數(shù)據(jù)。

圖3 組合翼傘變迎角吹風(fēng)試驗

3.2 組合翼傘變迎角吹風(fēng)試驗過程

開展組合翼傘風(fēng)洞試驗，要求試驗穩(wěn)定風(fēng)速20 m/s，設(shè)置支撐裝置阿爾法機(jī)構(gòu)角度為-30°、-20°、-10°、-5°、0°、5°、10°、20°，試驗步驟如圖4所示。

圖4 變迎角吹風(fēng)試驗步驟

4 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 坐標(biāo)系定義

坐標(biāo)軸系如圖5所示，天平坐標(biāo)系原點Oq位于天平的中心，翼傘質(zhì)心處風(fēng)軸系原點Os位于翼傘模型的中間對稱翼剖面的參考翼弦靠近前緣的1/4處，坐標(biāo)系均采用右手系。其中，?′為組合翼傘的迎角。

圖5 坐標(biāo)系定義

① 天平坐標(biāo)系：OqXYZ，OqX軸沿天平安裝平面順風(fēng)方向為正。

② 天平處風(fēng)軸系：OqXqYqZq，OqXq軸沿來流方向為正。

③ 翼傘質(zhì)心處風(fēng)軸系：OsXsYsZs，OsXs軸沿來流方向為正。

OY軸垂直于對應(yīng)坐標(biāo)系的OX軸豎直向上，OZ軸按右手系確定。

4.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

試驗首先得到帶支架天平坐標(biāo)系下的組合翼傘吹風(fēng)數(shù)據(jù)，扣除空支架吹風(fēng)數(shù)據(jù)，得到天平坐標(biāo)系下組合翼傘吹風(fēng)數(shù)據(jù)。

然后將天平坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到天平處風(fēng)軸系：

Yq=Ycosα-Xsinα

(1)

Xq=Xcosα-Ysinα

(2)

Mzq=Mz

(3)

Zq=Z

(4)

Myq=Mycosα+Mxsinα

(5)

Mxq=Mxcosα+Mysinα

(6)

最后將天平處風(fēng)軸系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到質(zhì)心處風(fēng)軸系：

Ys=Yq

(7)

Xs=Xq

(8)

Mzs=Mzq+YqxE-XqyE

(9)

Zs=Zq

(10)

Mys=Myq-ZqxE-XqzE

(11)

Mxs=Mxq+YqzE-ZqyE

(12)

組合翼傘質(zhì)心處風(fēng)軸系下氣動力(力矩)系數(shù)換算公式為

(13)

式中：α為天平系與天平處風(fēng)軸系X軸夾角；xE、yE、zE為以O(shè)q為坐標(biāo)原點Os的相對位置坐標(biāo)；Cx為阻力系數(shù)；Cy為升力系數(shù)；Mz為俯仰力矩；ρ為流場中的空氣密度；v為流場中空氣速度；CMz為俯力矩系數(shù)。

本次試驗最終計算得到在不同迎角狀態(tài)下的風(fēng)軸系中組合翼傘升力系數(shù)、阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)。

4.3 試驗結(jié)果

本次試驗最終獲取組合翼傘在不同迎角狀態(tài)下的質(zhì)心處風(fēng)軸系試驗數(shù)據(jù)8組，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 組合翼傘風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)

4.4 試驗結(jié)果分析

不同迎角下，本次風(fēng)洞試驗的組合翼傘在迎角為20°左右達(dá)到最大升力，最大升力系數(shù)不低于0.7。升力特性曲線變化趨勢隨著迎角的增大先近似線性增大達(dá)到失速迎角后緩慢減小，阻力特性曲線變化趨勢隨著迎角的增大緩慢增大，如圖6所示。

圖6 組合翼傘升阻力特性曲線

不同迎角下，本次風(fēng)洞試驗組合翼傘升阻比特性曲線變化趨勢如圖7所示。在翼傘迎角常用設(shè)計范圍5°～20°狀態(tài)下組合翼傘升阻比應(yīng)不低于3，由圖7可知，本設(shè)計符合翼傘升阻比設(shè)計要求。

圖7 組合翼傘升阻比特性曲線

不同迎角下，本次風(fēng)洞試驗組合翼傘俯仰力矩系數(shù)特性曲線變化趨勢如圖8所示。俯仰力矩系數(shù)特性曲線在零點范圍波動，其絕對值不大于0.1。

圖8 組合翼傘俯仰力矩系數(shù)特性曲線

綜合以上分析，本次風(fēng)洞試驗中組合翼傘俯仰力矩系數(shù)絕對值均不大于0.1，遠(yuǎn)小于升力系數(shù)和阻力系數(shù)。本試驗組合翼傘最大升力系數(shù)不低于0.7，且滿足在常用設(shè)計迎角下的升阻比不低于3的要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過綜合分析，本次風(fēng)洞試驗結(jié)論如下。

① 本次風(fēng)洞試驗所涉及試驗原理和試驗設(shè)備可行，探索了一套可行的柔性翼傘風(fēng)洞試驗方法，填補了目前國內(nèi)組合翼傘風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的空白，為國內(nèi)組合翼傘的理論研究積累了寶貴的試驗數(shù)據(jù)。

② 本次風(fēng)洞試驗通過實測不同迎角下組合翼傘關(guān)鍵氣動力(矩)數(shù)據(jù)，研究組合翼傘氣動特性，為超大型組合翼傘仿真和設(shè)計提供理論支撐。

③ 本次風(fēng)洞試驗組合翼傘模型最大升力迎角在20°左右，需要進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，調(diào)整最大升力迎角適應(yīng)工程應(yīng)用。本研究對組合翼傘氣動特性進(jìn)行了初步探索，后續(xù)擬進(jìn)一步對組合翼傘操控特性開展研究。