傘衣優(yōu)化設(shè)計對群傘系統(tǒng)氣動特性的影響分析

董海波，隋 蓉，黃明星

(北京空間機電研究所， 北京 100094)

隨著深空探測逐漸成為全球載人航天活動的重要發(fā)展方向，主要航天國家均積極開展新型可重復使用的多用途載人飛船研制或研究論證[1-2]。當航天器完成任務(wù)返回地球時，為了確保航天器能夠安全可靠的著陸于地球表面，航天器回收系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。降落傘仍是應用較為廣泛的航天器氣動減速裝置，其回收載荷質(zhì)量從數(shù)噸級的載人航天器、返回式衛(wèi)星，直至60噸級的航天飛機助推器等，例如我國的“神舟號”飛船降落傘[3]以及美國波音公司的星際線飛船的降落傘系統(tǒng)[4]。針對大載重航天器傘系減速系統(tǒng)的需求，在降落傘減速回收技術(shù)方面，可以采用兩種方案實現(xiàn)：一是通過增大降落傘的阻力面積提高減速能力；二是選擇合適大小的單傘，通過增加降落傘的數(shù)量來提高減速能力，相對于采用單一降落傘的回收系統(tǒng)，采用多傘組合方式的設(shè)計方案統(tǒng)稱為群傘技術(shù)[5]。以7噸級別的回收載荷為例，如果仍采用單傘系統(tǒng)減速方案，則需求的降落傘面積約2 500 m2，而如此大面積單具降落傘的加工工藝、特紡材料性能、折疊包裝都會帶來難以突破和解決的問題，導致單傘系統(tǒng)方案和可靠性均不能滿足減速需求。采用群傘系統(tǒng)減速方案時，若由三具主傘組成群傘系統(tǒng)，單傘面積需求約900 m2；若由四具主傘組成群傘系統(tǒng)，單傘面積需求約720 m2。這一規(guī)模的單具主傘，可充分繼承已有成熟降落傘的設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)布局、加工工藝和折疊包裝方法均比較成熟且繼承性較好，單傘數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)方案、回收載荷質(zhì)量、單傘面積以及安裝空間進行優(yōu)化組合。

航天器減速著陸系統(tǒng)主要工作在飛行過程的最后一個階段，在非常有限的工作行程內(nèi)，需要將擁有巨大的動能和位能的航天器安全著陸停留在星球表面，位置、速度和姿態(tài)均要發(fā)生很大的變化，特別是對于載人飛船而言，其工作的成敗直接關(guān)系到整個飛行任務(wù)的成敗[6]。美國在20世紀60年代的阿波羅(Apollo)載人飛船和21世紀初的獵戶座(Orion)載人飛船[7-8]中針對群傘技術(shù)做了大量的研究工作。美國多用途乘員飛行器(multi-purpose crew vehicle，MPCV)是基于獵戶座乘員飛行器所研制，飛船執(zhí)行完既定任務(wù)時在正常狀態(tài)下返回地球的工作步驟如圖1所示。

圖1 多用途乘員飛船減速著陸過程示意[9]Fig.1 MPCV descent and landing sequence[9]

MPCV的回收過程主要分為四個階段[10]：①前端防熱罩傘工作(forward bay cover parachutes，F(xiàn)BCPs)，MPCV通過自身攜帶的靜壓高度控制器進行開傘高度的實時判別，當滿足開傘高度后首先彈射3具前端防熱罩傘，降落傘充氣展開并提供阻力；②減速傘工作，前端防熱罩與MPCV完成分離后，瞬間彈射2具減速傘，在高速外界氣流的作用下，減速傘采用2級收口方式完成充氣減速過程；③引導傘工作，減速傘分離后，仍然采用彈射方式拉出3具引導傘，每一具引導傘分別對應一具主傘；④主傘工作，3具主傘采用單獨拉出的方式開傘，整個充氣過程同樣采用2級收口方式進行充氣控制。在整個減速著陸過程中，如果降落傘在充氣時無法正常工作，出現(xiàn)降落傘失效故障，肯定會導致載人飛船的非正常減速現(xiàn)象，嚴重的可導致整個回收任務(wù)的失敗。歷史上曾發(fā)生多次因主傘失效造成的回收故障，甚至完全失敗[11-12]。因此，減速著陸系統(tǒng)最重要的特點之一是必須具有高可靠性，應盡量采用冗余技術(shù)等提高可靠性的措施，在執(zhí)行載人航天活動的整個任務(wù)過程中，減速著陸系統(tǒng)的可靠工作為航天員提供了生命保障。

以美國獵戶座飛船為例，其群傘技術(shù)研究以三代空投試驗為主線，第一代空投試驗的目標是初步的系統(tǒng)性功能原理驗證，試驗對象為各個階段的單傘及簡單的群傘[13]；第二代空投試驗的目標是進行降落傘結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進，并通過試驗與仿真相結(jié)合的方式提高仿真能力建設(shè)[14]；第三代空投試驗的重點在于對系統(tǒng)失效模式的探索驗證[15]。但是，獵戶座群傘技術(shù)的研發(fā)成本也是一個不可忽略的問題，獵戶座群傘設(shè)計分為三個階段，研究過程集設(shè)計、仿真、空投試驗、風洞試驗、攝影測量、工藝改進等于一體，經(jīng)歷了從第一代設(shè)計中的單一降落傘功能性驗證到第三代設(shè)計中對于群傘多故障模式的驗證，研究過程層層遞進。由于進行全尺寸空投試驗成本高、周期長，其研究過程歷時數(shù)十年才取得目前的研究成果，這是其他國家無法承受的研究成本。為了降低成本并縮短研發(fā)周期，在群傘技術(shù)研究中可結(jié)合相關(guān)技術(shù)開展群傘的縮比等效設(shè)計，采用縮比空投試驗的方式在短周期內(nèi)進行大批量試驗，與同等縮比的風洞試驗進行了對比[16-17]。另外，隨著計算機硬件條件和理論方法的不斷發(fā)展，針對流體流動的數(shù)值模擬以及求解相應Navier-Stokes方程(NS方程)的算法研究現(xiàn)已成為國內(nèi)外備受關(guān)注的熱點和前沿課題，采用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法對群傘氣動性能的模擬也取得了很好的研究成果[18-22]。由于航天器在返回著陸的過程中經(jīng)歷了多種流速狀態(tài)，其下降過程中的非定常流動現(xiàn)象相當復雜，導致全流速條件下的數(shù)值仿真工作難度巨大，因此本文針對亞聲速條件下減速著陸系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行研究，分析不同群傘設(shè)計構(gòu)型下整個系統(tǒng)的氣動特性，以仿真結(jié)果為基礎(chǔ)進行降落傘結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作，以此來提高仿真技術(shù)在降落傘設(shè)計過程中的使用程度，縮短研發(fā)周期并降低試驗成本，為群傘技術(shù)在大載重回收任務(wù)的推廣應用提供理論保證。

1 數(shù)值方法

近年來，飛行器非定常氣動力計算方法主要有兩種：一種是勢流理論方法，如片條理論法、偶極子格網(wǎng)法、非定常渦格法等[23]；第二種是CFD方法[24]?；趧萘骼碚摲椒ǖ挠嬎憔W(wǎng)格生成簡單，計算效率高，但計算精度不夠理想，特別是對于非定常效應很強的問題。雖然發(fā)展出了許多改進的勢流理論方法，但是這些方法的計算精度還是非常有限，并且大多存在待定參數(shù)，因此應用起來非常復雜。此外，這些方法大多數(shù)只停留在二維問題的研究。

CFD方法是一種通用性較好的非定常氣動力計算方法，并且能達到較高的精度。在連續(xù)流區(qū)，氣體假定為連續(xù)介質(zhì)，基于此假設(shè)可建立相應流體力學控制方程，并可采用多種數(shù)值格式對方程進行離散求解，目前常見的CFD方法有基于Euler方程和NS方程的方法，后者又可分為雷諾平均N-S方程(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)模擬、大渦模擬(large eddy simulation, LES)和直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation, DNS)。CFD計算不僅能給出升力、阻力特性，還能給出流場結(jié)構(gòu)隨時間變化的細節(jié)，如邊界層復雜流動、流場渦、激波運動等。而在稀薄流區(qū)，氣體密度減小，分子平均自由程逐漸變大，當分子平均自由程可與飛行器特征長度相比擬時，氣體間斷粒子效應凸顯，飛行器周圍流場出現(xiàn)稀薄氣體效應，傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不再成立，而需要采取微觀分子模型或者稀薄氣體動力學的方法[25]進行流場求解。

1.1 流動控制方程

群傘系統(tǒng)處于穩(wěn)降階段時，當?shù)氐暮０胃叨韧? km以下，其下降速度也小于20 m/s[26]，因此降落傘的工作環(huán)境屬于不可壓縮范圍，針對不可壓縮流動，可以采用壓力基求解方法進行N-S方程的求解。對于不可壓縮流動，連續(xù)性方程和動量方程分別為：

?·u=0

(1)

(2)

式中，ρ為流體密度，u為速度矢量，u、v和w分別為三個方向的速度分量，P為壓力。

方程(2)中黏性應力與流體變形率成正比，其表達式為：

(3)

式中，μ為動力黏性系數(shù)，λ為第二黏性系數(shù)。

對于存在能量交換、化學反應、組分輸運以及湍流影響等復雜流動問題時，控制方程的通用形式為：

(4)

其中，φ表示通用變量，Γ為廣義擴散系數(shù)，S為廣義源項。式中各項依次為順態(tài)項、對流項、擴散項和源項。所有的控制方程均可經(jīng)過適當處理，將方程中因變量、瞬時項、對流項與擴散項寫成標準形式，然后將其余各項集中于方程右端定義為源項，從而簡化為通用微分方程。

1.2 求解方法

針對不可壓縮流動的N-S方程求解，本文采用壓力耦合方程組的半隱式方法(semi-implicit method for pressure-linked equations, SIMPLE)算法[27]對控制方程進行求解。SIMPLE算法是一種半隱式求解方法，屬于壓力修正法范疇，其基本思想為：通過初始給定的壓力場求解離散形式的動量方程，獲得擬速度場。因為初始給定的壓力場可能是不準確的，求解得到的擬速度場一般不能滿足連續(xù)性方程，需要對壓力場進行數(shù)值修正。修正過程中遵循的規(guī)則為：與修正后的壓力場所對應的速度場能夠滿足該迭代步的連續(xù)性方程。以此為基準，將動量方程所規(guī)定的壓力與速度代入連續(xù)性方程，獲得壓力修正方程，求解壓力修正方程得到壓力修正值。采用修正后的壓力場，獲得新的速度場。對數(shù)值解進行收斂判別，若不收斂，用修正后的壓力值作為初始值，開始下一次的迭代計算。如此反復，直到獲得收斂的數(shù)值解。

2 計算結(jié)果

在群傘系統(tǒng)處于穩(wěn)降狀態(tài)下，受外界氣流的影響，單傘之間可能會發(fā)生碰撞現(xiàn)象，這種故障狀態(tài)在獵戶座群載人飛船進行空投試驗時也多次發(fā)生[28]。為避免該故障模式，研究人員采用多種方法對環(huán)帆傘開展分析研究，其中包括數(shù)值模擬方法。本文在不同學者研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對群傘系統(tǒng)中廣泛使用的環(huán)帆傘設(shè)計構(gòu)型，通過對不同設(shè)計方案在亞聲速條件下開展氣動特性數(shù)值模擬，結(jié)合數(shù)據(jù)對比進行分析研究，不斷優(yōu)化群傘中單傘的設(shè)計構(gòu)型，以此來提高群傘系統(tǒng)在穩(wěn)降階段的穩(wěn)定性。

2.1 單傘仿真

2.1.1 仿真模型

環(huán)帆傘傘型采用球臺加圓頂錐的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。傘衣上部采用環(huán)縫形結(jié)構(gòu)，與環(huán)縫傘結(jié)構(gòu)類似，下部采用環(huán)帆形結(jié)構(gòu)，即上、下環(huán)片結(jié)合處采用非等長設(shè)計，上環(huán)片的底邊比下環(huán)片上邊緣長，形成月牙狀。在傘衣充氣初期，氣流可以從月牙縫進入，有助于快速開傘。傘衣充氣后，氣流從月牙縫向下排出，可增加傘衣阻力。根據(jù)降落傘設(shè)計經(jīng)驗，本文所采用的降落傘環(huán)帆總數(shù)為16，其中環(huán)型數(shù)目為6，帆型數(shù)目為10，傘衣總數(shù)目為80。

圖2 環(huán)帆傘示意Fig.2 Gore of the ringsail parachute

本文所研究的對象是群傘系統(tǒng)，以環(huán)帆傘單傘構(gòu)型為基礎(chǔ)，構(gòu)建三傘聯(lián)合的群傘模型。為了方便進行CFD數(shù)值模擬，對環(huán)帆傘模型進行簡化處理，采用文獻[18]的模型處理方式，將10幅帆型結(jié)構(gòu)合并采用相應的球臺結(jié)構(gòu)代替，同時忽略降落傘制造材料本身的透氣率，只考慮降落傘傘型的結(jié)構(gòu)透氣率，因此將降落傘傘衣的邊界條件設(shè)置為壁面邊界條件，入口邊界設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)定為壓力出口，其初始計算條件如下：海拔H=2 km，速度V=9 m/s，密度ρ=1.006 55 kg/m3，壓力P=79 501.4 Pa。采用Pointwise軟件對整個計算模型進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，仿真模型如圖 3所示，使用Fluent軟件進行流場求解，其中求解方法使用SIMPLE算法，湍流模型使用k-ω兩方程模型。

圖3 仿真模型示意Fig.3 Schematic diagram of simulation model

2.1.2 單傘仿真結(jié)果

本文研究的重點是為了防止單傘之間發(fā)生碰撞，結(jié)合環(huán)帆傘的設(shè)計工作，主要改變單傘模型的結(jié)構(gòu)透氣量，分析不同結(jié)構(gòu)透氣量對群傘系統(tǒng)氣動特性的影響。改變結(jié)構(gòu)透氣量的主要做法是減小傘衣表面積，即在環(huán)帆傘傘衣上“開洞”，但是“開洞”面積不能過大，避免影響環(huán)帆傘的阻力面積，因此可以采用的方式包括在傘衣上開窗和增加帆與帆之間的縫隙寬度。

為了對比不同環(huán)帆傘的設(shè)計構(gòu)型對整體氣動特性的影響，同時驗證CFD數(shù)值模擬的準確性，在開展群傘系統(tǒng)仿真模擬前首先進行單個環(huán)帆傘的仿真分析。模擬的工況包括三種方案：原始構(gòu)型、開窗構(gòu)型、開窗/開縫構(gòu)型，計算模型示意如圖4所示，其中原始構(gòu)型作為基準構(gòu)型，后兩種構(gòu)型是在原始構(gòu)型的基礎(chǔ)上進行設(shè)計更改，環(huán)帆傘的傘衣總數(shù)為80，每隔5幅進行一處開窗設(shè)計，窗口總數(shù)為16，而開窗/開縫構(gòu)型是在開窗的構(gòu)型下繼續(xù)進行更改，在環(huán)帆傘傘衣的第一帆和第二帆之間進行開縫設(shè)計，縫隙的寬度可變。

(a) 原始構(gòu)型(a) Original

(b) 開窗構(gòu)型(b) Windows

(c) 開窗/開縫構(gòu)型(c) Windows/gap圖4 降落傘模型傘衣布局設(shè)計Fig.4 Illustration of canopy layouts for parachute

采用表1的計算條件對三種不同仿真模型進行數(shù)值模擬，為進行有效的數(shù)據(jù)對比分析，對流場進行切片處理，只顯示以X軸為對稱軸的流場云圖。不同模型流場云圖如圖5所示。首先對原始構(gòu)型的流場結(jié)果進行描述，如圖 5(a)和圖5(d)所示，從入口邊界到降落傘收口處，壓力分布相對穩(wěn)定，在降落傘內(nèi)部壓力逐漸升高，其傘衣內(nèi)表面的表壓最大值為54.6 Pa；由于環(huán)帆傘是利用其傘衣形成較大的阻力面積實現(xiàn)回收載荷的減速著陸，因此在傘衣上方一定的區(qū)域內(nèi)形成較大的低壓背風區(qū)，并且產(chǎn)生了分離流動現(xiàn)象，此區(qū)域內(nèi)速度和壓強均要低于遠場來流參數(shù)；當氣流遠離環(huán)帆傘傘衣以后，分離流動現(xiàn)場減弱，又逐漸恢復至環(huán)境壓力和入口速度。

開窗構(gòu)型是在原始構(gòu)型的基礎(chǔ)上進行開窗修改，其他設(shè)計參數(shù)保持一致，其流場結(jié)果如圖5(b)和圖5(e)所示，從圖中的流場結(jié)果可以看出，兩者的流場結(jié)果基本保持一致，其傘衣內(nèi)表面表壓最大值為54.2 Pa，還可以觀察到在窗口處有氣流流出，改變了傘衣附近的速度分布。在傘衣上增加窗口對環(huán)帆傘的氣動特性產(chǎn)生了影響，但效果相對不明顯。

開窗/開縫構(gòu)型是在開窗構(gòu)型的基礎(chǔ)上，在第一和第二帆之間加大了帆與帆之間的縫隙寬度，由原來無縫隙設(shè)計改變?yōu)槊糠珜挾雀鳒p少10%寬度，其他設(shè)計參數(shù)保持一致，其流場結(jié)果如圖5(c)和圖5(f)所示，從圖中所示的流場結(jié)果也可以看出，兩者的流場結(jié)果基本保持一致，其表壓最大值為54.1 Pa，壓力值與其他模型的計算結(jié)果相近。從以上的模擬結(jié)果中可以看出，由于傘衣開窗或者開縫設(shè)計對傘衣整體的阻力面積相對較小，三種模型的流場結(jié)果趨勢大體一致，只是在傘衣局部區(qū)域有些區(qū)別，因此需要對流場細節(jié)及傘衣的氣動力進行對比分析。

單傘傘衣表面沿Z軸方向氣動力數(shù)據(jù)如表1所示，由于氣流是沿著Z軸正向流動，因此該氣動力也是環(huán)帆傘所提供的阻力。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，三種工況下傘衣內(nèi)外表面的氣動力量級相同，數(shù)值相差不大，這也和流場云圖顯示的結(jié)果相似，但通過相互比較發(fā)現(xiàn)，在原始構(gòu)型的基礎(chǔ)上做出設(shè)計修改，開窗/開縫構(gòu)型模型沿Z軸方向的氣動力小于原始構(gòu)型，說明開窗/開縫構(gòu)型對傘衣周圍的流場產(chǎn)生了影響，單傘的阻力特性隨著傘衣面積的減小而降低，但是仍能保持良好的阻力特性。

圖5 不同模型流場云圖Fig.5 Flow fields of different model

表1 傘衣沿Z軸方向氣動力

2.2 群傘仿真模型

群傘仿真模型是由三個單傘模型組合形成，每具單傘沿著各自的軸線旋轉(zhuǎn)一定角度，最終形成的仿真模型如圖6所示，其中三具單傘的編號按照順時針方向設(shè)置，群傘仿真中每具單傘的邊界條件和單傘仿真模型一致，傘衣的邊界條件設(shè)置為壁面邊界條件，入口邊界設(shè)置為速度入口邊界條件，出口設(shè)定為壓力出口，其初始計算條件見2.1.1節(jié)。由于在計算區(qū)域中加入三具單傘模型，因此群傘仿真模型的網(wǎng)格量將成倍增加，仍然使用SIMPLE算法進行流場求解，湍流模型使用k-ω兩方程模型。

圖6 仿真模型示意Fig.6 Schematic diagram of simulation model

為對比開窗和開縫設(shè)計對群傘系統(tǒng)氣動特性的影響，總共進行了五個工況的仿真模擬，如表2所示，為保證群傘具有較高的阻力面積，縫隙寬度不宜取過大。

表2 計算模型分類

2.3 群傘仿真結(jié)果

相對于單傘仿真模擬，環(huán)帆傘只受到外界氣流的影響，而群傘系統(tǒng)不僅受到外界氣流干擾，同時群傘內(nèi)單傘與單傘之間也會相互產(chǎn)生影響。在以往群傘空投試驗中，就出現(xiàn)過傘與傘之間的碰撞現(xiàn)象，因此群傘系統(tǒng)不僅需要考慮傘衣沿Z軸方向的氣動阻力，而且也要分析在不同設(shè)計構(gòu)型下傘衣沿XY平面內(nèi)的氣動特性。

首先對Model-1模型進行流場分析，分別沿群傘系統(tǒng)中不同單傘的對稱面進行流場切片處理，得到的流場云圖如圖7所示。相比于圖5所示的單傘流場云圖，群傘系統(tǒng)傘衣上方的背風區(qū)面積更大，說明在三具單傘的組合影響下，群傘系統(tǒng)的低壓流動區(qū)域范圍更廣；在傘衣附近壓力等值線更加集中，說明氣流通過單傘之間的區(qū)域，由于流動區(qū)域受到壓縮導致氣流相互擠壓，壓力相對集中。在三具單傘中心區(qū)域和遠離降落傘的區(qū)域內(nèi)，仍然保持遠場來流條件，氣體流動速度更快，當傘衣背風區(qū)內(nèi)幾乎靜止的流場在高速氣流的帶動影響下，在背風區(qū)容易出現(xiàn)不對稱渦流動現(xiàn)象，靠近傘衣一側(cè)的渦流強度要弱于遠離傘衣的一側(cè)。

圖7 Model-1模型流場云圖Fig.7 Flow fields of Model-1

為增強群傘系統(tǒng)在開傘過程中的穩(wěn)定性，對單傘構(gòu)型進行優(yōu)化設(shè)計，可選擇的一種方案是在傘衣上進行開窗和開縫設(shè)計。分別對群傘系統(tǒng)單傘間流場狀態(tài)和氣動力進行分析，比較不同設(shè)計構(gòu)型對群傘系統(tǒng)的性能影響。首先介紹群傘系統(tǒng)的流場特性，其模擬結(jié)果如圖8所示，其流場結(jié)構(gòu)是由兩具單傘對稱面切片速度流場組合而成，從圖中可以觀察到，流場具有較好的對稱性，在群傘系統(tǒng)中心區(qū)域內(nèi)，由于氣流流動遭遇降落傘傘衣遮擋，受到擠壓后的氣流在中心區(qū)域的流速得到提升，此時該區(qū)域內(nèi)的壓力相對于群傘系統(tǒng)外側(cè)的壓力要低。由于群傘系統(tǒng)內(nèi)外側(cè)壓力不相等，外側(cè)的高壓推動單傘向內(nèi)側(cè)低壓區(qū)移動，導致單傘之間的距離逐漸縮小并可能發(fā)生相互碰撞。

為避免碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，其原理是要改變?nèi)簜阆到y(tǒng)中每具單傘所受氣動力的合力方向，本文采取的方式是在傘衣上增加開窗/開縫設(shè)計，產(chǎn)生上述效果的原因可以通過流場結(jié)果進行解釋：部分氣流從窗口和縫隙之間流出，窗口和縫隙越寬流出的氣流越多，流出的氣流沿著降落傘傘衣表面的法向與流經(jīng)中心區(qū)域內(nèi)沿Z軸方向流動的氣流形成一定夾角，對該氣流具有一定的阻礙作用，導致中心區(qū)域內(nèi)氣流速度降低，壓力增大。與此同時，從降落傘內(nèi)部向外流出部分氣流，改善了降落傘傘衣附近區(qū)域內(nèi)氣流流動的“通暢性”，提高了速度，降低了壓力，進而降低了傘衣內(nèi)外表面的壓力差，氣動力也隨之減小，但是相對于無開窗/開縫模型也喪失了一部分氣動阻力。因此，需要對開窗/開縫設(shè)計參數(shù)的選擇進行更加詳細的優(yōu)化設(shè)計分析，既要保證降落傘傘衣材料強度和縫紉強度指標，又要滿足降落傘的氣動阻力性能。

根據(jù)群傘系統(tǒng)內(nèi)三具單傘的氣動力仿真數(shù)據(jù)，顯示每種模型下三具單傘在XY平面內(nèi)的受力，預測每具單傘的運動方向，其示意如圖9所示。從圖中可以明顯地觀察到，Model-1模型中每具單傘在XY平面內(nèi)的運動方向是相對的，每具單傘向系統(tǒng)內(nèi)側(cè)移動會逐漸縮小單傘間的距離，可能發(fā)生相互碰撞的現(xiàn)象；Model-2模型增加了開窗設(shè)計，雖然單傘向內(nèi)側(cè)移動的趨勢得到改善，但仍然存在相向運動趨勢，沒有完全消除碰撞隱患。后三種模型與前兩種模型的計算結(jié)果區(qū)別比較明顯，三具主傘都是向群傘系統(tǒng)外側(cè)移動，會逐漸增加單傘間的距離，保證群傘系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。以上結(jié)果表明，增加開窗/開縫設(shè)計可以有效改善群傘系統(tǒng)的運動特性，提高系統(tǒng)的安全性。

(a) Model-1 (b) Model-2 (c) Model-3 (d) Model-4 (e) Model-5圖8 不同模型速度流場云圖Fig.8 Velocity flow fields of different model

(a) Model-1 (b) Model-2 (c) Model-3 (d) Model-4 (e) Model-5圖9 單傘運動方向示意Fig.9 Schematic diagram of motion direction for parachute

此外，還需對比不同設(shè)計構(gòu)型下群傘系統(tǒng)所能提供的氣動阻力，其數(shù)據(jù)如表3所示。在單傘仿真模擬中，原始模型所能提供的氣動阻力是三種模型中最大的，因此在三具單傘組合的條件下所能提供的氣動阻力也是群傘仿真模擬中的最大值。在傘衣上增加開窗/開縫設(shè)計，雖然減少了單傘傘衣的阻力面積，整個群傘系統(tǒng)損失了部分沿Z軸方向的氣動力，但是通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，開窗/開縫模型與Model-1模型的阻力占比均保持在93%以上，仍然可以保證群傘系統(tǒng)具有良好的阻力性能。

表3 群傘系統(tǒng)的氣動阻力

3 結(jié)論

本文主要結(jié)合群傘構(gòu)型設(shè)計，開展了群傘系統(tǒng)氣動特性數(shù)值仿真分析工作，在典型環(huán)帆傘構(gòu)型的基礎(chǔ)上對單傘傘衣進行開窗/開縫設(shè)計優(yōu)化工作，通過對比多種群傘系統(tǒng)構(gòu)型仿真結(jié)果，驗證了本文所采用的開窗/開縫設(shè)計可以改變?nèi)簜阆到y(tǒng)附近區(qū)域內(nèi)的流場特性，既增大了群傘系統(tǒng)中心區(qū)域流場的壓力，又降低了群傘系統(tǒng)外側(cè)的壓力，以上兩部分壓力的變化改變了降落傘本身的受力情況，從最初每具降落傘向中心區(qū)域的運動趨勢改變?yōu)橄蛲鈧?cè)相對運動，進而降低了發(fā)生碰撞的可能性。通過本文的模擬結(jié)果可以看出，借助此開窗/開縫優(yōu)化設(shè)計對群傘系統(tǒng)維持其阻力特性并保證群傘系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性等方面，均具有較好的應用效果。

采用數(shù)值仿真手段開展降落傘研究工作的優(yōu)點，一方面可以減少試驗數(shù)量、提高研制效率和降低風險，另一方面可以掌握群傘系統(tǒng)工作機理、提升設(shè)計的準確性、支撐降落傘設(shè)計理論發(fā)展，促進群傘系統(tǒng)在國家重大型號任務(wù)的工程應用。