自適應(yīng)變阻力特征加油穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)及氣動特性研究

黃 霞，吳金華，劉志濤，郭林亮

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川，綿陽 621000)

軟式空中加油是目前國際上主流的加油方式，其中“軟管-錐套”系統(tǒng)是軟式加油的重要部件，位于錐套前端的穩(wěn)定傘是其核心組成部分，主要功能是產(chǎn)生阻力，從加油吊艙中拉出“軟管-錐套”系統(tǒng)，當(dāng)受油探頭與錐套的加油接頭對接時(shí)，增加捕捉范圍，提升軟管和錐套的穩(wěn)定性[1-2]。

加油穩(wěn)定傘有三個主要設(shè)計(jì)參數(shù)—傘撐角、傘衣面積和間隙面積，穩(wěn)定傘的阻力特性與這三個參數(shù)密切相關(guān)。國內(nèi)外針對穩(wěn)定傘的阻力特性開展了大量的研究工作。Shigeo 等[3]建立了錐套的2D 模型，運(yùn)用CFD 分析與獨(dú)特的2D 風(fēng)洞試驗(yàn)兩種方法，通過改變迎角分析了穩(wěn)定傘各方向的受力情況。Kapseong 等[4-5]采用了一種全因子試驗(yàn)方案，通過提取穩(wěn)定傘三個主要參數(shù)，建立了穩(wěn)定傘的參數(shù)化模型，并分別由風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得出了穩(wěn)定傘阻力系數(shù)與此三個參數(shù)的近似解析關(guān)系式，為穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)提供了參考；之后又提出通過改變穩(wěn)定傘支撐角來改變氣動阻力的觀點(diǎn)，并利用MATLAB /Simulink 對大氣紊流下的錐套運(yùn)動進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了支撐角對氣動阻力的影響[6]。Andrew 等[7]研究了加油軟管的氣動彈性響應(yīng)對穩(wěn)定傘阻力特性的影響。García-Fogeda 等[2]通過在軟管與穩(wěn)定傘連接處安裝控制面研究了軟管-錐套系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。國內(nèi)石超等[8]通過CFD 方法研究了錐套支柱數(shù)對錐套穩(wěn)定傘阻力系數(shù)的影響；程小芩等[9]基于CFD 研究了國外某型錐套的氣動特性，通過改變錐套支撐臂數(shù)量、空速以及穩(wěn)定傘面積3 個因素，構(gòu)建了不同的三維子模型，利用數(shù)值計(jì)算分析了其對錐套氣動特性的影響，并探究了影響規(guī)律。

目前國內(nèi)外所使用的加油穩(wěn)定傘主要有兩類：第一類是恒定阻力特征穩(wěn)定傘，加油過程中穩(wěn)定傘的外形保持不變，阻力特征(即傘衣有效迎風(fēng)面積)恒定，阻力值隨飛機(jī)飛行速度變化而發(fā)生改變，穩(wěn)定傘與加油機(jī)的相對位置也隨之改變，受加油包線限制，無法同時(shí)滿足高速和低速飛機(jī)加油需求，通用性較差；第二類是可變阻力特征穩(wěn)定傘，其基本設(shè)計(jì)思路是通過調(diào)節(jié)傘撐角或傘衣面積改變穩(wěn)定傘阻力特征面積，使得穩(wěn)定傘能在不同風(fēng)速下保持恒定阻力，穩(wěn)定傘下沉位置相對固定，以實(shí)現(xiàn)同一加油機(jī)平臺上同時(shí)滿足多型號飛機(jī)的加油需求。

目前國外已經(jīng)發(fā)展了多種可變阻力特征技術(shù)，如雙層傘衣結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、活動骨架技術(shù)、更先進(jìn)的自適應(yīng)變阻技術(shù)等。雙層傘衣結(jié)構(gòu)穩(wěn)定傘擁有前后兩個傘衣，高速使用時(shí)為減小阻力特征使用其中一個傘衣作為迎風(fēng)面，低速使用時(shí)為增大阻力特征使用兩個傘衣同時(shí)作為迎風(fēng)面，這種結(jié)構(gòu)方式在使用時(shí)需利用其他控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傘衣的轉(zhuǎn)換?；顒庸羌芊€(wěn)定傘的骨架可根據(jù)需求增大或縮小，從而改變傘衣迎風(fēng)面積，在使用時(shí)也需要控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)骨架伸縮。文獻(xiàn)[10]給出了William 等設(shè)計(jì)的一種典型的活動骨架穩(wěn)定傘，通過一套復(fù)雜的控制器來移動骨架。而自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘則是在結(jié)構(gòu)中加入彈性元件，使得穩(wěn)定傘所受風(fēng)載發(fā)生變化時(shí)，彈性元件自適應(yīng)控制傘衣迎風(fēng)面積，而無須其他控制裝置。William 等[11-12]設(shè)計(jì)了多種彈簧骨架自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘，在骨架不同位置安裝彈簧來控制傘衣的移動。英國Cobham 公司則基于先進(jìn)的骨架彈簧片技術(shù)研制出了多項(xiàng)可變阻力特征穩(wěn)定傘供美國、歐洲客戶使用，實(shí)現(xiàn)在同一加油機(jī)平臺上同時(shí)滿足直升機(jī)和固定翼飛機(jī)加油的需求。該技術(shù)主要是通過彈簧片受載變形來調(diào)整傘衣迎風(fēng)角，從而改變傘衣迎風(fēng)面積，起到穩(wěn)定阻力的作用。但是可能基于保密的原因，關(guān)于國外自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘的具體設(shè)計(jì)和相關(guān)氣動特性研究工作鮮有報(bào)道。

目前我國空中加油使用的穩(wěn)定傘均為恒定阻力特征穩(wěn)定傘，無法滿足多種飛機(jī)空中加油需求。在變阻穩(wěn)定傘方面，近年來也有部分學(xué)者展開了研究。陳樂樂等[13]、吳成林[14]對某型主動控制式變傘撐角穩(wěn)定傘的變阻過程進(jìn)行了動態(tài)特性研究，仿真分析了穩(wěn)定傘變阻時(shí)軟管－錐套系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程；周學(xué)[15]對比分析了國內(nèi)外加油技術(shù)的發(fā)展趨勢，初步提出了可變阻力特征技術(shù)的研究方向。但在自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘的氣動特性研究方面，國內(nèi)仍鮮見研究。

由于自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘氣動特性涉及流體、柔性織物、彈性元件變形等多方面的流固耦合問題，數(shù)值計(jì)算很難準(zhǔn)確模擬[16-17]，因此開展風(fēng)洞試驗(yàn)研究是目前最為有效的手段?；诖?，本文采用骨架彈簧片原理，設(shè)計(jì)一種全新的自適應(yīng)變阻加油穩(wěn)定傘，并通過風(fēng)洞測力試驗(yàn)和變形測量技術(shù)研究不同彈簧片參數(shù)對其氣動特性的影響，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的正確性。

1 自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本文基于骨架彈簧片原理設(shè)計(jì)自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘。如圖1 所示，傘衣的骨架彈簧片因受力變形改變傘衣迎風(fēng)角(彈簧片與氣流方向的夾角)，氣流速度增大時(shí)壓迫彈簧片使傘衣迎風(fēng)角減小、傘衣有效迎風(fēng)面積減小，當(dāng)氣流速度減小時(shí)釋放彈簧片使傘衣迎風(fēng)角增大、傘衣有效迎風(fēng)面積增大，維持總阻力基本不變。

圖1 骨架彈簧片原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of skeleton spring

1.2 設(shè)計(jì)方法

本文所設(shè)計(jì)的變阻穩(wěn)定傘為1∶1 比例的原型穩(wěn)定傘，外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示，實(shí)物如圖3 所示，包括36 組支撐臂骨架、彈簧片、傘衣、固定環(huán)等部件，完全打開時(shí)最大外徑尺寸960 mm，最大內(nèi)徑尺寸450 mm，骨架材料為鋁合金。36 組支撐骨架為活動部件，通過固定環(huán)上的安裝槽穿過圓環(huán)均勻分布安裝，每一片支撐骨架可繞圓環(huán)自由轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定傘的打開與收縮；相鄰兩片支撐臂由鋼絲繩連接，鋼絲繩穿過后支撐臂上的安裝孔，兩端由鋼質(zhì)接頭壓緊，形成上下兩組鋼絲繩圈，一方面維持穩(wěn)定傘打開過程中的骨架形狀，另一方面限制穩(wěn)定傘最大打開尺寸，以增加加油過程中穩(wěn)定傘的穩(wěn)定性；與傳統(tǒng)支撐骨架相比，后支撐臂長度縮短，可有效減輕穩(wěn)定傘重量；骨架彈簧片采用插槽形式安裝于前支撐臂弧形槽處，使得彈簧片可以通過弧形槽調(diào)整初始迎風(fēng)角度且便于更換。

圖2 自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagram of adaptive variable drag drogue

圖3 自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘實(shí)物照片F(xiàn)ig. 3 Picture of adaptive variable drag drogue

目前我國使用的穩(wěn)定傘為傳統(tǒng)恒定阻力特征穩(wěn)定傘，傘衣直接連接在前支撐臂和后支撐臂末端，環(huán)狀傘衣處于無約束狀態(tài)；而本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定傘增加了彈簧片元件，傘衣套在彈簧片外面，起到維形的作用。傘衣為雙層縫制的篷布，具有良好的柔韌性和強(qiáng)度，厚度約1.2 mm，呈圓環(huán)狀，傘衣上均勻縫制36 個寬度約為20 mm 的布套，使其能將18 mm 寬的彈簧片套入其中但又不松動，傘衣將36 片彈簧片連接在一起，形成環(huán)狀傘衣成為產(chǎn)生阻力的主要部件，傘衣受風(fēng)載后，彈簧片發(fā)生變形，從而改變傘衣的迎風(fēng)角度和有效迎風(fēng)面積，起到變阻力特征面積的作用。

1.3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

彈簧片是本文所設(shè)計(jì)穩(wěn)定傘的關(guān)鍵部件(設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如圖4 所示)，其材料及結(jié)構(gòu)外形參數(shù)如何選取是最大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

圖4 彈簧片細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)圖Fig. 4 Detailed design figure of spring leaf

彈簧片變形與抗彎剛度相關(guān)，抗彎剛度越小變形越大；抗彎剛度與彈簧片材料的彈性模量以及彈簧片橫截面積相關(guān)，彈性模量和橫截面積越小，抗彎剛度越小。因此彈簧片設(shè)計(jì)涉及材料屬性(彈性模量、塑性屈服強(qiáng)度)、長度、寬度、厚度、彎曲形狀等多個參數(shù)。

由于穩(wěn)定傘自適應(yīng)變阻過程涉及流體、柔性織物、彈性元件變形等多方面的流固耦合問題，理論分析和數(shù)值計(jì)算都很難準(zhǔn)確模擬該過程，亦無法直接給出有效的彈簧片材料結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此本文擬采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法來探索彈簧片的設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文僅研究彈簧片材料彈性模量和彈簧片厚度兩個關(guān)鍵參數(shù)對自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘氣動特性的影響?；诠こ探?jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)兩種材料、三種厚度共四種彈簧片模型開展風(fēng)洞試驗(yàn)，分別為厚度8.0 mm、1.5 mm、1.0 mm 的鋼彈簧片(45#鋼)和厚度1.0 mm 的鈦合金彈簧片(TC4 鈦合金)。45#鋼和TC4 鈦合金的彈性模量分別為209 GPa 和110 GPa，則四套彈簧片的抗彎剛度大小關(guān)系為：8.0 mm 鋼＞1.5 mm 鋼＞1.0 mm 鋼＞1.0 mm 鈦合金。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)方法

本文通過開展穩(wěn)定傘測力試驗(yàn)和變形測量來研究自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘的氣動特性，驗(yàn)證變阻設(shè)計(jì)方法的正確性。

試驗(yàn)在中國空氣動力研究與發(fā)展中心FL-14風(fēng)洞(φ3.2 m 風(fēng)洞)開口試驗(yàn)段進(jìn)行。為減小支撐裝置對穩(wěn)定傘氣動特性的干擾影響，采用尾撐支撐方式，模型安裝如圖5 所示。

圖5 模型安裝圖Fig. 5 Model installation diagram

圖6 給出了試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，安裝座和整流罩模擬了加油接頭的外形，天平浮動端與安裝座連接，天平固定端與支桿連接。試驗(yàn)時(shí)天平軸線、支桿軸線與風(fēng)洞來流方向平行，使加油穩(wěn)定傘處于零迎角、零側(cè)滑角狀態(tài)。

圖6 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 6 Structural diagram of test device

由于穩(wěn)定傘既有柔性織物又涉及彈簧片變形，與傳統(tǒng)剛性模型測力試驗(yàn)相比，模型的穩(wěn)定性明顯降低，因此對測力試驗(yàn)結(jié)果分別采用靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)分析兩種方式。氣動載荷由TS0802A六分量桿式天平測量，通過風(fēng)洞PXI 數(shù)采系統(tǒng)采集，采樣時(shí)間為6 s、采樣頻率100 Hz，靜態(tài)結(jié)果為6 s 內(nèi)采樣結(jié)果的平均值，動態(tài)結(jié)果為6 s 內(nèi)采樣值的實(shí)時(shí)序列。

彈簧片在不同風(fēng)速下的變形由OptiTrack 系統(tǒng)測量。OptiTrack 為光學(xué)運(yùn)動捕獲系統(tǒng)，屬于被動式紅外光學(xué)定位技術(shù)，原理是利用多個紅外攝像頭發(fā)出波長850 nm 的紅外線光照射到標(biāo)記點(diǎn)上，由于標(biāo)記點(diǎn)上的反光材料具有增強(qiáng)紅外光線的反射能力，從而達(dá)到圖像中標(biāo)記點(diǎn)與周圍環(huán)境明顯區(qū)分的目的，獲得標(biāo)記點(diǎn)的位移信息。對同一標(biāo)記點(diǎn)，只要它同時(shí)為兩個相機(jī)所見，即可根據(jù)攝影測量原理確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的三維位置坐標(biāo)。為確保試驗(yàn)中能有效獲得標(biāo)記點(diǎn)的空間位置信息，在試驗(yàn)段上方安裝5 臺紅外相機(jī)，安裝位置如圖7 所示；在穩(wěn)定傘上方彈簧片對應(yīng)的傘衣上粘貼8 個～9 個標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)黏貼位置如圖8所示。試驗(yàn)前標(biāo)定OptiTrack 系統(tǒng)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系定義如圖7 所示，原點(diǎn)位于錐套前緣端點(diǎn)，z軸平行于來流指向前，y軸垂直于z軸指向正上方，x軸滿足右手定則。OptiTrack 系統(tǒng)紅外相機(jī)拍攝幀率設(shè)置為30 fps，拍攝時(shí)間5 s。

圖7 OptiTrack 系統(tǒng)紅外相機(jī)安裝圖Fig. 7 OptiTrack infrared cameras installation diagram

圖8 標(biāo)記點(diǎn)粘貼位置Fig. 8 Paste location of marks

試驗(yàn)按穩(wěn)速壓方式運(yùn)行，速壓控制精度為0.3%，試驗(yàn)風(fēng)速范圍30 m/s～80 m/s。待速壓穩(wěn)定后，同步采集對應(yīng)風(fēng)速下的氣動載荷及標(biāo)記點(diǎn)三維坐標(biāo)信息。由于彈簧片受載會發(fā)生變形，且風(fēng)速越高變形越大，甚至可能發(fā)生斷裂，在洞內(nèi)安裝防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文僅對初始迎風(fēng)角度為38°的穩(wěn)定傘氣動特性結(jié)果進(jìn)行分析，關(guān)于不同初始迎風(fēng)角度對穩(wěn)定傘氣動特性的影響，鑒于文章篇幅限制將另文討論。

3.1 變形結(jié)果分析

圖9 給出了四種彈簧片在不同風(fēng)速下的變形結(jié)果，圖中曲線是各標(biāo)記點(diǎn)在OptiTrack 系統(tǒng)坐標(biāo)系oyz平面內(nèi)的投影點(diǎn)的連線，體現(xiàn)了不同錐套彈簧片變形后的形狀。從圖中可以看出，對于8.0 mm鋼彈簧片穩(wěn)定傘，當(dāng)風(fēng)速為30 m/s～40 m/s 時(shí)，骨架處于打開過程階段，標(biāo)記點(diǎn)位置坐標(biāo)隨風(fēng)速增加逐漸上移；當(dāng)風(fēng)速大于40 m/s 以后，骨架完全打開，隨風(fēng)速增加，各標(biāo)記點(diǎn)位置坐標(biāo)基本不再變化，彈簧片形狀曲線重合，表明8.0 mm 鋼彈簧片的抗彎剛度很大，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)未發(fā)生變形，始終處于剛性狀態(tài)；其他三種彈簧片均發(fā)生變形，且風(fēng)速越大變形越大；1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘骨架最易打開，風(fēng)速30 m/s 時(shí)已基本完全打開。

圖9 不同風(fēng)速下彈簧片的變形結(jié)果Fig. 9 Deformation results of spring under different wind speeds

圖10 給出了風(fēng)速分別為40 m/s 和70 m/s 時(shí)，不同彈簧片的變形對比結(jié)果。結(jié)果表明，彈簧片抗彎剛度越小，變形越大，變形大小關(guān)系為1.0 mm鈦合金＞1.0 mm 鋼＞1.5 mm 鋼，風(fēng)速70 m/s 時(shí)，1.0 mm 鈦合金彈簧片幾乎與來流方向平行。

圖10 相同風(fēng)速下，不同彈簧片的變形對比結(jié)果Fig. 10 Deformation comparison of different springs at thesame wind speed

3.2 測力試驗(yàn)靜態(tài)結(jié)果分析

加油穩(wěn)定傘環(huán)形傘衣是為錐套提阻力的主要部件，其核心指標(biāo)為阻力特征值CA(也稱為阻力特征面積)，表征傘衣的有效迎風(fēng)面積，計(jì)算公式為：CA=FD/q。其中：FD為測得的阻力值；q為速壓。

圖11、圖12 分別給出了不同彈簧片穩(wěn)定傘的阻力和阻力特征對比曲線。結(jié)果表明，當(dāng)骨架彈簧片為8.0 mm 鋼時(shí)，彈簧片保持剛性狀態(tài)，隨風(fēng)速增大，有效迎風(fēng)面積基本不發(fā)生變化，穩(wěn)定在0.43 m2左右，阻力值則迅速增大，即8.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘表現(xiàn)出恒定幾何特征的性質(zhì)，其氣動特性規(guī)律與傳統(tǒng)穩(wěn)定傘相關(guān)數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)規(guī)律完全一致[5,9]。彈簧片為1.5 mm 鋼、1.0 mm鋼和1.0 mm 鈦合金時(shí)，由于受風(fēng)載后彈簧片發(fā)生了變形，傘衣的迎風(fēng)角度隨之改變，因此穩(wěn)定傘有效迎風(fēng)面積隨風(fēng)速增加而逐漸減小，阻力值增幅減小，表現(xiàn)出變阻力特征的性質(zhì)；且抗彎剛度越小，變形越大，有效迎風(fēng)面積減小越顯著；特別是1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金彈簧片穩(wěn)定傘，阻力的變化梯度較小，充分體現(xiàn)了自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘隨風(fēng)速變化阻力值相對穩(wěn)定的特點(diǎn)，驗(yàn)證了本文自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)方法的正確性。此外，當(dāng)彈簧片變形到一定程度，即實(shí)際迎風(fēng)角減至接近0°后，隨風(fēng)速增加，彈簧片將不會繼續(xù)變形，會維持現(xiàn)有形狀，有效迎風(fēng)面積趨于穩(wěn)定，阻力值將持續(xù)快速增加，穩(wěn)定傘自適應(yīng)變阻特性失效；由于1.0 mm 鈦合金彈簧片更易變形，其失效風(fēng)速(70 m/s 左右)比1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘(80 m/s 左右)低，有效自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間更窄。綜上1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘的自適應(yīng)特性更優(yōu)。

圖11 不同彈簧片穩(wěn)定傘的阻力曲線Fig. 11 Drag curves of drogues with different springs

圖12 不同彈簧片穩(wěn)定傘的阻力特征曲線Fig. 12 Drag characteristic curves of drogues with different springs

3.3 測力試驗(yàn)動態(tài)結(jié)果分析

對于穩(wěn)定傘測力試驗(yàn)，由于傘衣是柔性布，試驗(yàn)時(shí)會出現(xiàn)呼吸作用，導(dǎo)致數(shù)據(jù)穩(wěn)定性降低。因此對四種彈簧片穩(wěn)定傘的動態(tài)測量數(shù)據(jù)結(jié)果展開了研究，并與某型傳統(tǒng)恒定阻力特征穩(wěn)定傘的動態(tài)測量結(jié)果進(jìn)行了對比。圖13 給出了風(fēng)速70 m/s時(shí)，不同穩(wěn)定傘阻力特征動態(tài)測量結(jié)果的對比曲線；圖14 給出了不同風(fēng)速下，不同穩(wěn)定傘阻力特征動態(tài)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對比曲線。

圖13 風(fēng)速70 m/s，不同穩(wěn)定傘阻力特征的動態(tài)測量結(jié)果對比曲線Fig. 13 V=70 m/s, comparison curves of dynamic results of drag characteristics for different drogues

圖14 不同風(fēng)速下，不同穩(wěn)定傘阻力特征動態(tài)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差對比曲線Fig. 14 Under different wind speeds, standard deviation comparison curves of dynamic results of drag characteristics for different drogues

結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定傘結(jié)構(gòu)由于增加了彈簧片元件，對傘衣有維形作用，不再如傳統(tǒng)穩(wěn)定傘一般整個環(huán)狀傘衣處于自由無約束狀態(tài)，因此傘衣的動態(tài)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)穩(wěn)定傘。尤其是骨架彈簧片為1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金時(shí)，穩(wěn)定傘的阻力特征動態(tài)測量數(shù)據(jù)波動及離散標(biāo)準(zhǔn)差值顯著降低，表明這兩種穩(wěn)定傘穩(wěn)定特性更好，這也驗(yàn)證了其自適應(yīng)特性對于提升阻力穩(wěn)定性十分有利。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果的拓展與應(yīng)用

由于風(fēng)洞條件限制，本文僅進(jìn)行了低速試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)得到了1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘的自適應(yīng)特性更優(yōu)的結(jié)論，如圖11 所示，其能在50 m/s～75 m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)自適應(yīng)變形調(diào)節(jié)阻力特征面積，保持穩(wěn)定傘的阻力值相對穩(wěn)定。但是該阻力值偏小，所對應(yīng)的飛行速度偏低，并不適用于在真實(shí)加油飛行中直接使用。

以下將對本文所獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拓展應(yīng)用，提煉出工程估算模型，為下一步開展工程適用的自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)提供有效的彈簧片輸入?yún)?shù)。

4.1 工程估算模型

式(4)即為工程估算模型，給出了兩種彈簧片變形規(guī)律一致時(shí)，對應(yīng)的風(fēng)速關(guān)系。

企業(yè)的管理者要想更好地了解公司的實(shí)際情況，就要注意采納下層員工的意見。在新的時(shí)代背景下，企業(yè)新招收員工的個性更加鮮明，很容易因?yàn)楣ぷ魃系膯栴}與資歷較長的員工產(chǎn)生沖突。所以人力資源管理部門可以增加新員工和公司的領(lǐng)導(dǎo)的交流機(jī)會和渠道，讓底層員工的意見能夠被重視。

4.2 工程估算模型的驗(yàn)證

根據(jù)第3 節(jié)分析可知，試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)1.0 mm鋼彈簧片穩(wěn)定傘的自適應(yīng)特性更優(yōu)，因此以其氣動特性數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓展。即E1=209 GPa，h1=1 mm，有效的自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間為V1=50 m/s～75 m/s。

根據(jù)式(4)，當(dāng)彈簧片為1.5 mm 鋼時(shí)，E2=209 GPa，h2=1.5 mm，則可估算出有效的自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間為V2=91 m/s～137 m/s。從圖11 中1.5 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘的阻力曲線可知，當(dāng)風(fēng)速到達(dá)80 m/s 時(shí)，當(dāng)?shù)刈枇π甭拭黠@減小，可預(yù)測之后阻力將會進(jìn)入到相對穩(wěn)定的階段，與估算結(jié)果一致。

當(dāng)彈簧片為1.0 mm 鈦合金時(shí)，E2=110 GPa，h2=1 mm，則可估算出有效的自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間為V2=37 m/s～55 m/s。從圖11 中1.0 mm 鈦合金彈簧片穩(wěn)定傘的阻力曲線可知，其有效自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間約為40 m/s～60 m/s，與估算結(jié)論基本吻合。

以上分析驗(yàn)證了工程估算模型的合理性。

4.3 工程估算模型的應(yīng)用

試驗(yàn)后觀察彈簧片外形發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，各彈簧片均未發(fā)生明顯塑性變形。但是若風(fēng)速繼續(xù)增大，載荷也將持續(xù)增加，彈簧片極有可能發(fā)生塑性變形，而鈦合金的材料屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋼，材料性能更優(yōu)，因此以鈦合金材料為例，根據(jù)式(4)，設(shè)計(jì)工程適用的自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘，使其適用的加油飛行速度和阻力值能滿足真實(shí)的加油需求。

取鈦合金彈簧片厚度為2.0 mm，即E2=110 GPa，h2=2 mm，由式(4)可估算出有效的自適應(yīng)變阻風(fēng)速區(qū)間為V2=103 m/s～154 m/s。

FD=ρV2CA/2

由于阻力值，1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘在V1=50 m/s～75 m/s 范圍內(nèi)阻力值約為400 N，則2.0 mm 鈦合金彈簧片穩(wěn)定傘在V2=103 m/s～154 m/s 范圍內(nèi)對應(yīng)的阻力值約為1700 N。

4.4 意義及下一步研究方向

雖然實(shí)際的彈簧片受載并不是集中載荷而是分布載荷，彈簧片的受力分析和變形也要復(fù)雜得多[18]，但本文所獲得的研究成果對于進(jìn)一步開展工程適用的自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘研究具有重要意義。一方面，驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)方法的正確性；另一方面，已獲得的彈簧片參數(shù)、變形數(shù)據(jù)以及提煉出的工程估算模型可為彈簧片材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)選取提供重要的數(shù)據(jù)參考。

下一步工作中將繼續(xù)結(jié)合低速和高速風(fēng)洞試驗(yàn)，開展鈦合金或其他材料彈簧片的氣動特性及變形研究，進(jìn)一步優(yōu)化彈簧片外形、尺寸等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘的安全性和使用范圍。

5 結(jié)論

本文基于骨架彈簧片原理，設(shè)計(jì)了一種全新的自適應(yīng)變阻力特征加油穩(wěn)定傘，并通過風(fēng)洞測力試驗(yàn)和變形測量技術(shù)研究了彈簧片彈性模量和厚度參數(shù)對其氣動特性的影響，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的正確性。研究結(jié)果表明：

(1)在30 m/s～80 m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)，8.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘保持剛性狀態(tài)，未發(fā)生變形，表現(xiàn)出恒定阻力特征的特性，阻力值隨風(fēng)速增加迅速增大。

(2) 1.5 mm 鋼、1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金彈簧片均隨風(fēng)速變化發(fā)生自適應(yīng)變形，使得穩(wěn)定傘的阻力特征面積能夠自適應(yīng)調(diào)整，起到穩(wěn)定阻力大小的作用，且抗彎剛度越小變形越大，風(fēng)速越大變形越大；其中1.0 mm 鋼彈簧片穩(wěn)定傘的自適應(yīng)特性更優(yōu)。

(3)自適應(yīng)變阻力特征穩(wěn)定傘的動態(tài)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)恒定阻力特征穩(wěn)定傘，尤其是骨架彈簧片為1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金時(shí)，穩(wěn)定傘的阻力特征動態(tài)測量數(shù)據(jù)波動及離散標(biāo)準(zhǔn)差值顯著降低，表明穩(wěn)定傘的自適應(yīng)特性對于提升阻力穩(wěn)定性十分有利。

(4)本文所提出的自適應(yīng)變阻設(shè)計(jì)方法正確合理，所獲得的研究結(jié)果和工程估算模型能為工程適用的自適應(yīng)變阻穩(wěn)定傘設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。