低空無傘無損空投包裝設(shè)計及其自穩(wěn)和緩沖性能驗證

賈山 高翔宇 陳金寶* 王永濱

低空無傘無損空投包裝設(shè)計及其自穩(wěn)和緩沖性能驗證

賈山1,2,3高翔宇1,2,3陳金寶*1,2,3王永濱1,3,4

（1 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京 211106）（2 深空星表探測機構(gòu)技術(shù)工信部重點實驗室，南京 211106）（3 航天進入減速與著陸技術(shù)實驗室，南京 211106）（4 北京空間機電研究所，北京 100094）

無傘空投具有準(zhǔn)備時間短、投送迅速、包裝簡單、受氣象影響小、著陸散布小、可重復(fù)利用等優(yōu)點，成為未來救災(zāi)工作中裝備物資保障方式的一種新型空投方式。基于某運用需求，文章給出了一種低空無傘無損空投包裝設(shè)計方案，并針對單/雙層的風(fēng)阻結(jié)構(gòu)設(shè)計與偏質(zhì)心程度對下落過程的影響，進行了對比分析；同時，對拉桿結(jié)構(gòu)在觸地緩沖過程中的吸能效果進行了仿真分析。該設(shè)計可基于自主展開的柔性風(fēng)阻結(jié)構(gòu)和偏質(zhì)心特性，實現(xiàn)下落過程的姿態(tài)自穩(wěn)；將50m高度空投的落地精度控制在了0.1m范圍內(nèi)，并將落地緩沖過程的最大過載限制在2 500n以內(nèi)。該設(shè)計為面向低空空投的空投包裝提供了一種解決方案。

低空空投 無傘空投 姿態(tài)自穩(wěn) 緩沖吸能 返回技術(shù)

0 引言

空降空投是指從運輸機或直升機上將人員、物資或裝備投送至地面或水面預(yù)定區(qū)域的行動，其裝備主要用于救災(zāi)以及邊遠地區(qū)運輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的空投采用降落傘對物資進行投放，投放精度受高度以及風(fēng)場影響較大，所需的降落區(qū)域面積大[2-3]，而無傘空投是指裝備物資不系降落傘，直接從飛行器上投擲的方式[4]。無傘空投憑借其具有準(zhǔn)備時間短、投送迅速、包裝簡單、受氣象影響小、著陸散布小、可重復(fù)利用等優(yōu)點，逐漸成為未來救災(zāi)行動中裝備物資保障方式的發(fā)展趨勢[5]。目前，無傘空投的研究方向主要有兩個：現(xiàn)有空投包裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6-7]、研制新型緩沖裝置[8-10]。

國外相關(guān)高效空投研究起步較早，但其主要研究方向為基于預(yù)測和控制的精準(zhǔn)空投技術(shù)，例如美國空軍提出的先進的精確空投系統(tǒng)（APADS）[3]，其利用“智能化”技術(shù)來控制投放各種補給和裝備，由各種自主導(dǎo)引的滑翔式減速器系統(tǒng)組成，可以在各種不良天氣條件下（如夜晚、霧天）執(zhí)行任務(wù)。通過采用最新的制導(dǎo)技術(shù)和傳感技術(shù)（例如：GPS和紅外風(fēng)傳感器），精確空投系統(tǒng)的空投高度可以達到7km，空投落點（Circular error probability，CEP）可以達到百米范圍內(nèi)[11]。加拿大的“Sherpa”精確空投系統(tǒng)[12]，該系統(tǒng)是結(jié)合基于預(yù)測和基于抗干擾這兩種精確空投系統(tǒng)。既有先期的著落軌跡，也能夠在飛行過程中進行控制。

目前，國內(nèi)對于無傘空投的研究大部分還停留在理論研究以及仿真分析階段，現(xiàn)有的較成熟的無傘空投包裝多利用緩沖氣囊作為緩沖設(shè)備進行緩沖[13-14]，且研究重點側(cè)重于充氣結(jié)構(gòu)設(shè)計[15-17]。緩沖氣囊的優(yōu)點在于可以重復(fù)使用，且具有較強的地面適應(yīng)能力[18-19]，好的氣囊系統(tǒng)可以減小物資本體所受的沖擊力，避免內(nèi)部物資的損壞[20]，但緩沖氣囊技術(shù)也有諸如緩沖行程有限以及控制精度不高等缺點[21]。趙西有等通過對緩沖包裝材料的深入研究和緩沖包裝方式的科學(xué)設(shè)計，研制了一種液體類食用物資空投緩沖包裝，可在200m的高空成功無傘空投[22]；劉勝祥等采用蜂窩紙板為結(jié)構(gòu)材料制作包裝箱，完成了小體積低質(zhì)量物資的低空無傘空投，結(jié)果表明，該無傘空投包裝箱具有可靠性高、費用小、可回收重復(fù)利用的優(yōu)點[23]；王宏等設(shè)計了一種雙層高強度聚丙烯材料的包裝方案，研究了包裝袋從200m高空著陸沖擊過程中包裝袋形狀變化及應(yīng)力的變化過程，找出了可能對包裝袋造成破壞的原因和最容易破壞的部位，并驗證了雙層高強度聚丙烯材料包裝方案的可行性[24]。

鑒于現(xiàn)有大部分中等質(zhì)量固體的低空無傘空投均為針對緩沖氣囊進行的研究。為此，本文以現(xiàn)有直升機空投設(shè)計為基礎(chǔ)，擬設(shè)計一套空投包裝系統(tǒng)方案，方案內(nèi)包括空投包裝支架以及空投包裝本體。其中空投包裝支架可保證空投初始下落姿態(tài)，而空投包裝本體則是一種全新的利用“偏質(zhì)心”本體（質(zhì)心在本體軸線上相較形心靠近空投本體下端面一側(cè)）以及柔性風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在空中保持姿態(tài)，并利用泡沫鋁以及拉桿吸能機構(gòu)進行緩沖的無傘無損空投包裝。同時為驗證包裝本體可用性，對空投包裝本體利用有限元流體力學(xué)計算軟件ANSYS Fluent和有限元力學(xué)計算軟件ANSYS Workbench中的顯式動力學(xué)計算模塊分別進行了下落過程以及觸地瞬間緩沖元件的分析，成功完成了20kg物資在50m空中的無傘空投任務(wù)，保證了物資的安全，為面向低空空投的空投包裝提供了一種新的解決方案。

1 設(shè)備器材無傘無損空投包裝設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)及要求

本文中所設(shè)計的空投包裝以設(shè)備器材等觸地沖擊耐受性較差且具有一定精密度的物資為對象，面向任務(wù)，提出如下的性能指標(biāo)：

1）空投高度≤50m；

2）物資凈質(zhì)量≤20kg；

3）觸地緩沖階段峰值過載<2 500n。

1.2 整器設(shè)計方案

本文以直升機空投為例，依據(jù)1.1節(jié)中所提出的設(shè)計指標(biāo)及要求，假設(shè)物資本體裝在一圓柱形容器中。為最大程度利用直升機艙內(nèi)空間，提高物資本體在空投包裝中的體積占比，保證落地精度，現(xiàn)提出一種如圖1所示的設(shè)備器材類物資無傘無損空投包裝系統(tǒng)方案，該方案主要由待空投物資支架以及空投物資包裝兩部分組成。

圖1 設(shè)備器材類物資無傘無損空投包裝系統(tǒng)方案

由圖1可看出，待空投物資支架可獨立且方便地安置于執(zhí)行空投任務(wù)的直升機艙內(nèi)，也可以為待空投物資的擺放和拋投等作業(yè)提供操作界面，使得作業(yè)過程更加安全有序，也有利于保證被拋離機艙的被空投物資包裝以期待的初始姿態(tài)開始下落，從而在觸地緩沖過程中充分發(fā)揮該包裝方案的吸能作用，從而保證了包裝內(nèi)儀器設(shè)備等物資的安全；空投物資包裝即為放置被空投儀器設(shè)備等物資的容器，通過頂部可被動展開柔性風(fēng)阻結(jié)構(gòu)和本體“偏質(zhì)心”結(jié)構(gòu)等特殊設(shè)計，使得從支架上滑落的空投包裝可在特定的姿態(tài)范圍內(nèi)下落，且具備在下落過程中抵抗小幅擾動（例如橫風(fēng)等）的能力，從而以近乎豎直的姿態(tài)完成觸地，充分發(fā)揮其內(nèi)部吸能材料的性能，即只需要在豎直方向上設(shè)計專門的緩沖吸能結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)空投需要在物資周邊全方位包裹緩沖吸能材料的設(shè)計具備更高的空間和材料利用效率，有助于在滿足裝載能力的前提下實現(xiàn)包裝結(jié)構(gòu)的輕量化和緊湊化。整體工作流程如圖2所示。

圖2 無損空投包裝工作流程圖

1.3 物資支架設(shè)計方案

依據(jù)1.2節(jié)中提出的整體方案，圖3為待空投物資支架的初步設(shè)計方案，其主要功能部件為被動展開柔性結(jié)構(gòu)限位桿和空投物資包裝滑軌。在朝向機艙內(nèi)方向的起始端，限位桿呈喇叭口造型，有助于在空投作業(yè)時將被空投的物資包裝快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地放置在滑軌上；滑軌主要功能是托舉處于隊列狀態(tài)的待空投物資包裝，可在其上設(shè)計專門的“凹槽+滑輪”組件，有助于減輕執(zhí)行空投任務(wù)時的人員作業(yè)強度，將拎起—平移—拋投的動作模式轉(zhuǎn)換為簡單的平推，滑軌的中后段特別設(shè)計為兩段圓弧外切形成的平滑過渡下降坡道，可使得被推移至該位置的物資包裝在重力勢能差作用下加速，拉大與緊隨其后的物資包裝之間的間隔，在保證物資包裝從機艙有序拋離的同時，有效避免空中碰撞造成的下落姿態(tài)失穩(wěn)，引起觸地緩沖吸能結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致所搭載的儀器設(shè)備的損壞。

圖3 待空投物資支架設(shè)計方案

1.4 包裝本體設(shè)計方案

依據(jù)1.2節(jié)中提出的整體方案，被動展開的風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)處于收攏狀態(tài)時的物資包裝如圖4所示，主要由風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)卡箍、雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)和“偏質(zhì)心”本體等三部分組成?？ü客ㄟ^安全銷鎖定，用于束縛處于收攏狀態(tài)的被動展開風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)物資包裝被安置于圖3所示的支架滑軌上，風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)的被動展開即處于支架限位桿的約束下，此時，可手動解除安全銷并摘下卡箍；雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)采用非金屬彈性材料制成龍骨，采用輕質(zhì)、高強度的超音速減速傘材料制成蒙皮，可在從支架上滑脫拋離后被動展開，實現(xiàn)風(fēng)阻調(diào)姿功能；物資包裝本體采用上、下分體式設(shè)計，上半部分采用輕質(zhì)、高強度的高分子復(fù)合材料制成，主要用于保持包裝本體結(jié)構(gòu)的完整性，下半部分采用鈦合金等高比強度金屬材料制成，主要用于承受觸地沖擊過載，并通過設(shè)置于其中的緩沖吸能材料實現(xiàn)沖擊能量的耗散，本體上、下兩部分的質(zhì)量差異使得本體呈現(xiàn)“偏質(zhì)心”特點，有利于下落過程中姿態(tài)穩(wěn)定和抵抗微幅擾動的能力；本體下半部分兩側(cè)有對稱設(shè)計的掛耳結(jié)構(gòu)，通過與支架滑軌的配合，實現(xiàn)物資包裝在支架上的安放。

圖4 風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)處于收攏狀態(tài)時的物資包裝

圖5為被動展開的風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)處于展開狀態(tài)時的物資包裝，可見其在解除約束后被動展開的雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)。上層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的展開角度較大，主要用于在下落初期（即剛剛拋離機艙時刻），物資包裝本體縱軸（圖5中物資包裝的中心線）相對于重力方向有較大初始夾角時，提供足夠的姿態(tài)自糾正氣動阻力矩；下層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的展開角度較小，主要用于當(dāng)物資包裝本體下落姿態(tài)角度糾正到理想范圍內(nèi)后，提供較大的氣動阻力矩，使得受到微幅擾動的本體維持穩(wěn)定的下落姿態(tài)。同時，參考已有的風(fēng)阻結(jié)構(gòu)以及為保證風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在離開物資支架后的正常工作，初步確定上層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)與軸線夾角為75°，下層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)與軸線夾角為60°。

圖5 風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)處于展開狀態(tài)時的物資包裝

1.4.1 雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)圖5所示的空投物資包裝，繪出下落過程的物資包裝本體受力情況（如圖6所示），本體高度為、重力為n、質(zhì)心距底面為（<1/2，即所謂“偏質(zhì)心”結(jié)構(gòu)）。當(dāng)本體沿重力方向豎直下落時，由于從圖1所示支架上拋離時存在水平方向初始速度（雖然很小，但不能完全忽略），以及直升機飛行速度、空中橫風(fēng)氣流等因素的影響，將存在一個初始姿態(tài)角max。

此時，由于本體遮擋效應(yīng)，本體迎風(fēng)面（圖6中本體左側(cè)部分）將承受比背風(fēng)面（圖6中本體右側(cè)部分）更大的分布式氣動阻力，與此同時，由于有更大的展開角度，雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)中的上層部分將承受比下層部分更多的氣動阻力，最終，本體上承受的氣動阻力和風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)上承受的氣動阻力將形成一個合力，假設(shè)該合力與重力平行，且它們之間的距離為，則在本體質(zhì)心處產(chǎn)生圖6所示方向的回復(fù)力矩。

圖6 物資包裝本體在下落過程中的受力情況

當(dāng)本體姿態(tài)逐漸往豎直的期望姿態(tài)偏轉(zhuǎn)時，下層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)將逐漸承受越來越多的氣動阻力，并且由于較小的展開角度，將產(chǎn)生“風(fēng)兜”效應(yīng)，從而實現(xiàn)下落過程中姿態(tài)的自恢復(fù)穩(wěn)定性。

1.4.2 緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)所設(shè)計的空投物資包裝，繪出圖7所示的物資包裝本體剖面圖，其主要展示落地緩沖組件，該組件由本體外殼、內(nèi)部容器、泡沫鋁和拉桿等部分組成。本體外殼為圖4所示的“偏質(zhì)心”本體；內(nèi)部容器是用于放置被空投儀器設(shè)備的空間，也是在觸地緩沖過程中必須保證其結(jié)構(gòu)完好且峰值過載系數(shù)不超過某一限制（據(jù)1.1節(jié)中要求，擬為2 500n）的核心部分；沿周向均布在外殼內(nèi)壁上的拉桿是外殼和容器之間的接連結(jié)構(gòu)，采用彈性模量適當(dāng)、延展性較好的金屬材料制成，當(dāng)觸地緩沖時，容器將在慣性作用下發(fā)生相對于外殼的豎直向下的運動，即通過拉桿的塑性變形實現(xiàn)容器動能的耗散；泡沫鋁鋪設(shè)在容器底部與外殼之間的位置，主要用于在拉桿結(jié)構(gòu)失效時提供緩沖，使得傳遞到內(nèi)部容器上的瞬時峰值過載系數(shù)限定在期望的范圍內(nèi)。

圖7 物資包裝本體剖面圖

2 仿真驗證

為確定所設(shè)計的“偏質(zhì)心”本體結(jié)構(gòu)、雙層風(fēng)阻柔性結(jié)構(gòu)以及緩沖結(jié)構(gòu)能否保證在下落過程中的穩(wěn)定性以及空投包裝安全落地，分別對下落過程以及觸地瞬間進行有限元仿真驗證。

2.1 下落過程穩(wěn)定性仿真驗證

2.1.1 模型建立與仿真初始條件給定

為驗證圖5所示的空投包裝在下落過程中的調(diào)姿性能，在本節(jié)仿真中將其與普通單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)（僅保留所設(shè)計雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的上層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)）進行對比仿真?，F(xiàn)給出其與單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)投影到豎直平面后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8所示。其中，與點分別代表兩物資包裝的質(zhì)心位置。

圖8 物資包裝結(jié)構(gòu)參數(shù)

在FLUENT軟件中建立如圖9所示的模型網(wǎng)格。其中，兩種風(fēng)阻結(jié)構(gòu)均采用了全三角形網(wǎng)格，且在本體外表面層做了加密處理，整體網(wǎng)格比例因子為1.0，單元尺寸為100mm，具體加密后的網(wǎng)格參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)阻結(jié)構(gòu)周邊網(wǎng)格參數(shù)

Tab.1 Grid parameters around wind resistance structure

圖9 物資包裝本體周邊網(wǎng)格

在本次仿真中，假設(shè)初始下落速度為0，即兩空投包裝本體均以最大45°的初始姿態(tài)角沿重力方向下落，同時給出兩物資包裝的質(zhì)量及慣性條件如式（1）所示。其中，代表空投包裝本體質(zhì)量，單位為kg，則表示空投包裝繞圖9中垂直紙面方向旋轉(zhuǎn)的慣量，單位為kg?m2。

將兩風(fēng)阻結(jié)構(gòu)物資包裝均設(shè)置為剛體，同時設(shè)置動網(wǎng)格（跟隨風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在空間中位置及姿態(tài)變化進行網(wǎng)格更新）參數(shù)以及仿真模型邊界及步長，設(shè)置仿真總時長為2s并開始仿真。

2.1.2 仿真過程及結(jié)果分析

為觀察仿真過程，分別給出仿真進行到一半，即仿真時長為1s以及仿真結(jié)束，即仿真時長為2s時空投及其周邊的空氣速度分布圖（如圖10所示）。

圖10 仿真過程圖

仿真過程中兩種空投包裝的姿態(tài)角變化曲線如圖11所示，振蕩幅度數(shù)據(jù)如表2所示。從圖表中可以看出，單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)初次完成姿態(tài)擺正在0.679s，而雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)完成初次姿態(tài)擺正的時間在0.644s，相較于單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)提前了0.035s，且初次振蕩幅度比單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)小15.46°，但是雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在第一次振蕩后會加大振動幅度，為確定其在之后的下落過程中的狀態(tài)，將仿真時長延長至4s并再次進行仿真。

仿真時間延長后，得到的仿真結(jié)果如圖12～14所示，圖12及圖13中部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表3、4所示。其中，圖12表示的是兩空投包裝姿態(tài)角變化，從中可以看出，雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)振蕩周期約為0.22s，相較于單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)0.52s的振蕩周期更短，且當(dāng)處于相同的振蕩周期時，其振蕩幅度比單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)小0～15°。

圖13表示的是延長仿真中空投的橫向漂移情況，從圖13中可以看出，單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的漂移距離隨下落距離增加而增加，而雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在下落35～40m時會反方向漂移（圖中虛線框部分）。以50m的空投為例，在沒有外界風(fēng)干擾的理想情況下，雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的落地精度要比單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的精度高0.1m。

圖14表示的時延長仿真中空投的下落速度。在圖14中，1與2分別表示單層與雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的終端速度，從圖14中可以看出，在4s的下落過程中，雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的速度相較于單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)慢0～1m/s，且終端速度比單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)慢0.4m/s。

表2 空投包裝姿態(tài)角數(shù)據(jù)

Tab.2 Air drop packaging attitude angle data

表3 延長仿真姿態(tài)角數(shù)據(jù)

Tab.3 Extended simulation attitude angle data

圖11 空投包裝姿態(tài)角變化曲線

圖12 延長仿真空投包裝姿態(tài)角變化曲線

表4 橫向漂移量數(shù)據(jù)

Tab.4 Lateral drift data

圖13 空投物資包裝橫向漂移距離曲線

圖14 空投包裝下落速度隨時間變化曲線

經(jīng)過上述仿真，可以看出雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在下落過程中的調(diào)姿性能以及落地精度方面均優(yōu)于單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)，但在調(diào)姿性能方面，兩種空投包裝結(jié)構(gòu)的最大振蕩幅度均超過初始姿態(tài)角，這表明空投包裝的性能并未達到預(yù)期，考慮其受空投質(zhì)心過高導(dǎo)致的調(diào)姿力矩不夠大的因素影響，為驗證本猜想，將兩種空投包裝的質(zhì)心設(shè)置在底邊中點上，即相較原仿真降低177mm，并再次進行仿真。

仿真結(jié)果如圖15所示，對應(yīng)關(guān)鍵點數(shù)據(jù)如表5所示。從圖15中可以看出兩風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的調(diào)姿性能均得到了極大改善，其中單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)振蕩幅度在±20°，而雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)則在下落2s內(nèi)將振蕩幅度控制在±4°，穩(wěn)定性極高。由此可推斷：對本次仿真的兩種結(jié)構(gòu)，質(zhì)心越低，調(diào)姿穩(wěn)定性能越強，且雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)的調(diào)姿穩(wěn)定性能總是優(yōu)于單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)。

圖15 驗證仿真空投包裝姿態(tài)角變化曲線

表5 理想仿真姿態(tài)角數(shù)據(jù)

Tab.5 Ideal simulated attitude angle data

2.2 觸地過程仿真

由于在觸地過程中，物資包裝底部的泡沫鋁作用僅在拉桿結(jié)構(gòu)失效時提供緩沖，故在本次仿真中僅對拉桿吸能部分進行仿真，驗證拉桿吸能裝置的可用性。同時，為充分發(fā)揮拉桿性能，假設(shè)空投包裝落地瞬間姿態(tài)角為0°，且速度方向平行于拉桿工作方向。

同時考慮到此次仿真模型較為簡單，且并無大變形組件，擬運用ANSYS Workbench軟件的顯示動力學(xué)模塊進行仿真，該模塊擁有較好的穩(wěn)定性，且計算速度相較于隱式計算模塊更快。

2.2.1 模型建立以及初始條件給定

依據(jù)2.2節(jié)中所述簡化方式，建立觸地仿真模型（如圖16所示），其中拉桿為直徑4mm，長度189mm的圓桿結(jié)構(gòu)。

圖16 簡化觸地仿真模型

圖16為觸地仿真模型，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件顯式動力學(xué)計算模塊，由于本次仿真主要驗證拉桿吸能裝置可否完成對空投物資的緩沖，故將空投物資設(shè)為剛性體，同時由于結(jié)構(gòu)簡單，利用ANSYS Mechanical軟件對整體進行默認的網(wǎng)格劃分，其劃分結(jié)果如圖17所示。

圖17 觸地仿真模型的網(wǎng)格劃分

如圖14所示，雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在正常質(zhì)心的情況下終端速度為19.7m/s，故將空投觸地速度設(shè)為19.7m/s。

對仿真模型各部分材料進行設(shè)置：將空投物資包裝外殼，拉桿以及物資本體材料均設(shè)為鋁合金，同時為仿真最惡劣落地情況，將地面材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼。具體的材料參數(shù)如表6所示。

表6 材料參數(shù)

Tab.6 Material parameters

添加結(jié)構(gòu)連接、地球重力以及地面材料固定支撐，設(shè)置仿真時長為1.5×10–3s并開始仿真。

2.2.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束時空投包裝變形（如圖18所示），可以看出拉桿吸能裝置變形最大處約為17.4mm，伸長率為9.0%，依據(jù)文獻[25]內(nèi)所提供的數(shù)據(jù)，并未超過鋁型材的最大伸長率，即所選拉桿材料滿足緩沖要求。

圖18 仿真結(jié)束狀態(tài)

給出仿真過程中空投物資的速度曲線以及過載曲線如圖19、圖20所示，兩圖均以重力方向為正方向。從圖19中可以看出，拉桿吸能裝置成功地將空投物資的速度降低至0，從圖20中可以看出，整體緩沖過程中的過載均未超過2 200n，完成了觸地過載小于2 500n的任務(wù)目標(biāo)。

圖19 空投物資落地過程速度曲線

圖20 空投物資落地過程過載曲線

3 結(jié)束語

本文提出了一種可以完成低空無損空投的無傘空投設(shè)計，并對其進行了下落過程與觸地過程的仿真。得出如下結(jié)論：在正常質(zhì)心條件下，所提出的雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的單層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在下落過程中的最大擺動幅度小15°，初次完成姿態(tài)擺正的時間提前0.035s，振蕩周期短0.3s，終端速度低0.4m/s，在50m空投條件下落地精度高0.1m。對一種極端且在工程實際中不可行的工況進行了仿真，驗證了雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)在下落過程中隨質(zhì)心下移的穩(wěn)定性。同時驗證了拉桿結(jié)構(gòu)在落地緩沖過程中的可行性，將落地過載控制在了2 200n，成功地完成了設(shè)計目標(biāo)要求，為無傘無損空投的設(shè)計提出了新的思路。

本方案通過定性仿真分析驗證，有效驗證了偏質(zhì)心本體以及雙層風(fēng)阻結(jié)構(gòu)對空投包裝的穩(wěn)定性的提升，其中具體質(zhì)心偏移以及風(fēng)阻結(jié)構(gòu)夾角、大小等參數(shù)還可在后續(xù)工作中進行具體優(yōu)化設(shè)計。

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Design of Low Altitude Free Drop Packaging and Verification of Its Self-stability and Cushioning Performance

JIA Shan1,2,3GAO Xiangyu1,2,3CHEN Jinbao*1,2,3WANG Yongbin1,3,4

（1 Academy of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China）（2 Key Laboratory of Mechanism for Deep Space Planet Surface Exploration, Ministry of Industry and Information Technology, Nanjing 211106, China）（3 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, Nanjing 211106, China）（4 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Parachute free airdrop has the advantages of short preparation time, rapid delivery, simple packaging, less affected by the weather, small landing dispersion and reusable. It has become a new airdrop mode of equipment and materials support in the future disaster relief work. Based on the application requirements, this paper presents a design scheme of low altitude parachute free and nondestructive airdrop packaging, and makes a comparative analysis on the influence of the single/double-layer design of wind resistance structure and the degree of partial centroid on the falling process. At the same time, the energy absorption effect of the pull rod structure in the process of touchdown buffer is simulated and analyzed. The design can realize the attitude self stabilization in the falling process based on the self expanding flexible wind resistance structure and the characteristics of partial center of mass. The landing accuracy of 50m airdrop is controlled at 0.1m, and the maximum overload in the landing buffer process is limited to less than 2 500n, which provides a solution for airdrop packaging for low altitude airdrop.

low altitude airdrop; parachute free airdrop; attitude self-stabilization; buffer energy absorption; recovery technology

V445.4

A

1009-8518(2022)02-0001-14

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.02.001

賈山，男，1983年生，2016年獲東南大學(xué)機械電子工程專業(yè)博士學(xué)位，副教授。主要研究方向是深空星表探測機構(gòu)技術(shù)、航天進入減速與著陸技術(shù)。E-mail：jiashanazz@nuaa.edu.cn。

陳金寶，男，1980年生，2008年獲南京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計專業(yè)博士學(xué)位，教授。主要研究方向是航天器結(jié)構(gòu)與機構(gòu)技術(shù)、航天器結(jié)構(gòu)動力學(xué)、空間精密操控技術(shù)。E-mail：chenjbao@nuaa.edu.cn。

2021-12-13

國家重大科技專項工程；國家自然科學(xué)基金面上項目（52075242）

賈山, 高翔宇, 陳金寶, 等. 低空無傘無損空投包裝設(shè)計及其自穩(wěn)和緩沖性能驗證[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(2): 1-14.

JIA Shan, GAO Xiangyu, CHEN Jinbao, et al. Design of Low Altitude Free Drop Packaging and Verification of Its Self-stability and Cushioning Performance[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(2): 1-14. (in Chinese)

（編輯：龐冰）