降落伞技术的研究进展及展望

降落伞参考文献

2005年10月

　世界科技研究与发展

专题:空间科学与技术

降落伞技术的研究进展及展望

余　莉　明　晓

(南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016)

3

摘　要:降落伞是一种应用极为广泛的气动力减速装置。根据降落伞的发展历程,本文将降落伞的发展历史总结为初期发展阶段、基础发展阶段、蓬勃发展阶段和实用化、新型化研究四个阶段。在此基础上,对实验研究和计算机模拟等重要研究手段在降落伞研制中的应用进行了具体的分析和讨论,并就如何提高降落伞的工作包线和控制技术做了评述,以进一步推动新理论涌现和新技术的应用。

关键词:降落伞　研究进展　展望

DevelopmentHistoryofItsYU(CollegeofofAeronauticsand

,Nanjing210016)

aimportantkindofaerodynamicsdecelerator,whichiswidelyusedfor

lifesavinfplane.Inthispaper,wereviewedthedevelopmenthistoryofparachuteandcon2cludeditasfourstagesincludinginitiationstage,fundamentaldevelopingstage,vigorousdevelop2ingstage,andapplicationandstyle2innovationstage.Onthisbasis,twoimportantresearchmeth2odsincludingtheexperimentalinvestigationandcomputationalsimulationwerediscussed,andthewaytoimprovetheworkscopeandcontroltechnologyoftheparachutewascommentedinordertodrivethenewtheorytoemergeandnewtechnologytobeused.

Keywords:parachute,development,expectation

引言

降落伞是一种应用极为广泛的气动力减速装置,它采用只能承受拉伸力,而不能承受压力和弯曲力的纺织材料制成。在中国,早在公元前2250年左右,传说中的虞舜利用两个斗笠,从着火的仓廪上跳下来得以不死,可以说是最早的降落伞雏形[1]。而在公元前100年,我们的祖先就已经知道应用降落伞来进行宫廷杂技表演[1]。但是公认的第一具降

落伞设计图纸是达芬奇于十五世纪做出的,他在刚性骨架上蒙以帆布作为气动减速面,人悬挂在减速面下面,以达到减速下降的目的。尽管达芬奇的设计图在当时没有付诸实现,但是后来英国跳伞队员就采用了达芬奇设计的伞成功地从10000英尺高的热气球上安全降落[2]。世界上第一具实际应用的伞是1797年10月22日,法国人安德列 雅克在巴黎上空的热气球上乘伞安全下降[2]。然而一直到二十世纪初,降落伞的研究还仅仅停留在供表演用。

3基金项目:本项目受国家自然科学基金资助,项目编号(G03112012)。

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随着现代飞行技术的发展,赋予了降落伞更为广泛的用途,降落伞理论也得到前所未有的发展。自第一次世界大战成功用于实战以来,英法俄等国就多次使用降落伞进行伞兵作战,取得了辉煌的战果,此后各国竞相研制军用降落伞。到第二次世界大战,降落伞已被广泛用于空降作战。由于其具有重量轻、减速效果好的优点,并且能起到稳定作用,目前已被广泛用于航空、航天、兵器和体育运动等诸多领域,形成了专门的降落伞制造业。降落伞理论和技术的发展也越来越受到有关方面的重视。特别是近二十年来,降落伞的基础研究进一步深入,工程方法也日趋完善,大大提高了降落伞研制的科学性和实验结果的可靠性。七十年代以后发展起来的翼伞技术,更是大大丰富了降落伞理论和拓宽了其应用领域。本文在翻阅大量文献的基础上,把降落伞发展的历史归结为初期发展阶段、基础发展阶段、蓬勃发展阶段和实用化、新型化研究四个阶段,在此基础上对实验研究和计算机模拟等重要研究手段在降落伞研制中的应用进行了具体的分析和讨论,,立了降落伞工作过程的基本理论模型,这个模型即使在现在,也得到了广泛的应用。其中拉直阶段和充气阶段无疑是降落伞工作最为重要,也最难理解的两个阶段。理论上,降落伞的拉直过程是个变质量体运动过程。70年代,wolf[3]提出了一个比较简单的连续拉直模型。美空军[4]对降落伞拉直过程也进行了大量研究,认为顺拉法最大拉直力出现在全长拉直瞬间,而倒拉法出现在拉动伞衣底边的时候。1969年,Heinrich[2]建立了充气过程的理论模型,认为附加质量对时间的变化率和进入伞衣的气体体积成正比,在无限质量情况下,附加质量变化率是发生动态变化的主要原因。之后,RoyceA.Toni[6]在假设附加质量变化规律的情况下,建立了充气过程开伞动载的计算式。这一阶段,还进行了大量的不同材料透气量、、强度及它们之间相互关系的试验,。,5飞船降落伞回](3)七十年代至九十年代初为降落伞理论的蓬勃发展阶段。这一阶段发展起来了新型翼伞技术,大大丰富了降落伞理论和拓宽了其应用领域,并且各种基础研究也在不断发展。在常规伞型方面,Eaton(1983),Yovuz(1989)分别对有限质量情况下的附加质量进行了更深刻的研究[2,7]:在伞衣刚性模型的假设下,认为附加质量的变化只受系统减速性能的影响。这种假设在流场的考虑及降落伞的运动状况上过于简单,对开伞过程的分析也不够清晰,但在预见充气时间及最大开伞动载方面是合理的。同时降落伞工作过程的计算机模拟也更加受到重视,如七、八十年代的涡元理论[8],开始采用计算机工具对降落伞工作时的气动力性能进行更深刻的研究,得出轴对称伞形充满状态下的流场分布。这一时期另一个重要特征就是建立了较完整的翼伞理论[9]。翼伞这种新型伞型,因其良好的操纵性和滑翔性能,在人用伞的应用上几乎占据了半壁江山。同时,航天回收、着陆用伞的研究也受到了美、法、俄等国的重视,如海盗号火星着陆系统伞衣上的应力研究[10](图1)、金星着陆系统的研究[10]等。

(4)上世纪九十年代开始是降落伞的实用化、新型化研究阶段。随着科技的进步,新型的研究工具、研究手段逐步应用到降落伞的研究中,降落伞的应

1　,降落伞研究大体可以分成四个时期:

(1)上世纪四十年代以前的降落伞发展初期,为降落伞理论的缓慢发展阶段。这一阶段的研究主要集中在降落伞的性能研究方面。如1915年G.I.Taylor[2]采用相同阻力面积、不同伞衣形状的降落伞对飞机着陆后滑行距离进行了早期刹车实验,认为伞型不同,其阻力系数不一致,刹车距离也将不同;1927年的Muller[2]对伞充气过程的研究,证实了结构形状基本相同的伞,在不同的试验条件下,基本上都有相同的充气距离,从而得到充气时间、充气距离仅仅和降落伞结构有关的结论,并认识到绕伞衣流场是一个存在严重分离的紊流流场。这一阶段研究的伞形基本上还是平面圆形伞。

(2)上世纪四十年代至上世纪七十年代左右为降落伞理论的基础发展阶段。这一阶段主要集中在理论模型的建立及材料研究上,同时,带条伞、环帆伞、十字型伞等不同型式的伞衣大量出现,不仅大大丰富了伞型,并且提出了它们各自的使用特点。在理论分析上,最大的贡献在于根据牛顿力学定律建

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围的流场情况及伞衣工作情况[13,14]。降落伞的虚拟仿真研究也取得了很大的进展,JeffreyR.

Hogue,R.WadeAllen,SteveMarkham[15,16]等人就在这方面作了大量的工作,使计算机能够真正成为一个虚拟试验场。降落伞其它的一些理论研究也日益受到重视,人们逐渐注意到伞工作时的气动弹性力,纺织微元之间的结构力、气动力、伞衣织物所受的静电力等对伞工作均具有一定的影响[17]。

2　降落伞的发展展望

降落伞是一门应用极为广泛的气动力减速装

图1　火星着陆伞

用范围也在不断扩大。航天上,1997年,美国采用可膨胀气囊着陆系统成功地进行了火星着陆;之后,法俄美三国合作,利用太阳能作热源,设计出一热气球火星着陆系统[10],并在地球上进行了模拟试验,证实此系统具有发射重量轻、价格低廉,而效果却优于着陆反推火箭。NASA的基础上,、着陆[10](图。同时在测试手段和测试方法上也更加丰富,如PIV技术、高速摄像机、全球定位系统、声波传感器式着陆控制系统等均已应用到降落伞的测试控制中[2,11];风洞、水洞[2,12]、气动炮[9]等一些新的试验方法也得到了应用。同时,计算机的发展为降落伞工作过程的仿真提供了可能,目前可以很好地模拟出翼伞、平面圆形伞工作时绕伞衣周

置,为了使降落伞更好地服务于各行各业,针对当前

及未来发展的需要及我国的研究现状,降落伞在以下几个方面应该引起重视并得到大力发展。

2.1　降落伞的试验研究

,都有着极其重要的意、拖曳试验、投放试验等几种方法。在试验研究上,尚需在以下几个方面进行大量的工作。

21111　相似流场的建立及相似准则数的确定降落伞的实际工作环境和实验情况常常相差很大,为了保证实验所测物理量和实际情况一致,必须依赖于相似理论,而这对于降落伞,相似模拟是非常困难的。比如实际伞和模型伞虽然可以满足外结构尺寸相似,但织物孔隙率却很难满足几何比例尺寸完全相似,进而影响到透气性的相似,必然影响到流场。因此必须大力进行理论分析的工作,建立各参数的比例关系及某种流动问题起主要作用的相似准则数。只有这样,所测物理参数才具有意义。

21112　发展新的测试方法,大力提高测试精度降落伞的工作参数牵涉到动力学参数、运动学参数、结构形状参数等,大部份参数都是动态的,有的经历时间非常短。必须大力提高测试反应速度和测试精度。诸如开伞过程的流场测量,由于是个时间非常短暂的动态过程量,过去无法获得绕伞衣周围的速度场和压力场情况,现在采用PIV技术或多孔探针、流场显示发烟装置,使开伞过程的动态参数测量成为可能。GPS全球定位系统、声波反射测试技术[17]等新的测试方法也可以大胆引进,使降落伞的测试技术提高一个新台阶。

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图2　火星减速着陆系统工作情况

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21113　开发新的试验模拟手段

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原有的经典试验方法主要有风洞试验、投放试验、拖曳试验等。为了对降落伞的工作过程进行更细致的分析,我们应该大力开发新的试验手段。比如降落伞的开伞过程试验,由于开伞过程非常短暂,采用传统的风洞模拟方法很难精确地捕捉到伞形及绕伞衣周围流场的情况,为此我们可以采用水洞(watertunnel)模拟方法,由于水比空气的粘度大得多,使得在水洞中的开伞速度大大降低,可以稳定地测得各类参数。

对于当前的试验研究工作,有如下问题需要迫切得到解决:

(1)有限质量情况下的开伞动载问题。开伞动载是降落伞工作时一个非常重要的物理参数,当前开伞动载的测量主要是在风洞中进行,但风洞中的开伞动载是无限质量情况下的开伞动载,而实际降落伞是有限质量情况下的开伞动载。如何更好地对开伞过程进行试验模拟,使开伞动载更接近于真实情况,是我们目前迫切要解决的问题。

(2)测量。题,,吸现象……。如何更好地测、阻尼系数是摆在我们面前的一个非常棘手的问题。

(3)动态参数的测量问题。降落伞从伞衣套拉出到完全充满,其时间非常短暂,有时在1秒内就完成一个充气过程。在这么短暂的时间内,要完成动态参数的记录,必须大力开发可实施的反应灵敏的测量仪表。

2.2　降落伞的计算机仿真技术

就开始了这方面的研究[16]。它由降落伞工作时的

力学仿真和很大一部份的视景仿真组成。在降落伞力学仿真方面,部份依赖于实验数据,模拟出降落伞的拉直、充气、稳降等行为以及外界力学环境造成的旋转、摇摆、倾斜等降落伞运动现象。环境的仿真包括气象环境的仿真和地形、地貌的仿真。所有的仿真需要借助于商业建模软件、三维图形建模软件及图象编辑软件、地形数据库生成软件等来完成降落伞的实时仿真。

21212　降落伞工作过程的数值仿真技术降落伞工作时是一种非常复杂的气动弹性问题。美、俄在上世纪七十年代就开始了降落伞工作过程的数值模拟工作,已经取得了很大的成绩。当前降落伞的数值模拟主要有两种方法。一种是涡元法(VEM),它在建立流场方程的基础上,通过伞衣,。,在轴对称伞CFD模型和MSD(质点弹性阻尼)模型的耦合求解正日益受到重视。由于伞衣是个柔性透气体,在对每一工作状态进行数值模拟时,要建立合适的方程,采用好的方法进行离散,才可能模拟出较真实的解。

2.3　大力提高降落伞的工作包线和控制技术

21311　大力研制降落伞高速开伞技术和提高

降落伞的载荷回收能力

在高超音速情况下的开伞,不仅带来高动压、高过载的问题,同时回收物后的尾流、伞绳冲击波、气动加热等都会造成开伞困难,迫切要求提高材料的热容性并解决降落伞高速开伞下的可靠性、高过载问题,不断提高降落伞的载荷回收能力。在高载荷下,气动减速器的展开面积将加大,对于单伞来讲,造成制造工艺复杂,对于多伞系统,又存在开伞干扰问题。为此要设计良好的伞系统结构和开伞控制器,不断提高伞的制造工艺,使伞日益满足载荷增大的要求。

21312　新的控制技术的应用

随着降落伞研究的进一步深入,降落伞的工作包线日益增大。同时,为了使降落伞有更合理的载荷和运动轨迹,我们必须大力提高降落伞的控制技术。当前我国除了对降落伞的开伞进行控制外,对降落伞的全程工作过程几乎没有控制,可以引入新

在我国,由于不能准确分析降落伞工作时的气动力情况,降落伞的设计和性能分析往往建立在半理论加经验的基础上。从气动力参数的选取到产品的最后定型,都要经过大量的风洞试验和投放试验才能成功,不仅耗费大量的人力物力,更重要的是延长了试验周期。降落伞计算机仿真技术的研究在我国尚未起步。而国外早在上世纪七十年代就已经开始对降落伞工作过程进行仿真研究。当前计算机仿真研究工作主要有以下几个方面。

21211　降落伞的虚拟仿真技术

这主要是指在计算机上进行虚拟跳伞试验、虚拟投放试验等等。早在上世纪八十年代,美、英两国

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的控制和测量方法,如GPS全球定位系统应用于方

位的确定,声敏元件对地面发射和接收声波,完成对着陆前的控制,可控伞的开发等等。逐步使降落伞可自行感应过载、方位,自我调节减速面大小的智能型气动力减速器。

21313　新型材料的开发

参考文献

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随着降落伞工作包线的增加,特别是高超音速降落伞的开发,降落伞材料的工作环境也越来越苛刻。为此我们要大力开发新型的降落伞用材料,在提高传统纺织材料的力学性能和传热性能的同时,大力研发新型材料,如超细金属丝编织成的伞衣材料、超薄型、高强度的新型合成材料等将会不断得到应用。

2.4　新型理论和新型应用场合的推广21411　新的技术及理论的应用及探索自上世纪五、六十年代降落伞理论的形成,降落伞理论在不断的完善和发展。当前已逐步形成降落伞气动弹性力学、降落伞静电力学、降落伞气动力、降落伞结构动力学等理论派别。理论证实,材料,一定的速压下,伞的开伞,理论指导下21412,降落伞的应用将越来越广泛,不仅在传统的航空、航天、国防、救生、投物等方面发挥重要的作用。在高楼救生、海底探测、火星、金星等外星球着陆、古湖泊学中沉积物的提取等诸多领域都将发挥越来越大的作用。

3　结论

降落伞是一种制造简单、成本低廉,且减速稳定效果非常良好的一种气动力减速装置。降落伞经历了二次大战前的初步发展、七十年代前的基础发展、九十年代前的蓬勃发展到如今降落伞的实用化、新型化研究四个阶段。随着技术的进步,降落伞研究的理论分析方法将逐步代替经验或半经验的设计、分析方法,而降落伞的试验模拟能力和计算仿真能力仍将是降落伞研究中重要的研究手段,并将不断得到提高。新的理论和技术将不断应用到降落伞系统的结构设计和性能分析当中。可以预见,未来降落伞的应用将越来越广泛。

(责任编辑:高利丹)

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