空投聲吶浮標降落傘的設計與仿真計算

來杭生

（中國船舶集團有限公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

聲吶浮標是一種檢測水下目標的聲吶器材，主要由飛機在高空中以一定的初速度向下投放，因此需要一個減速降落裝置來保證浮標在入水時的速度，防止浮標入水速度太快而損壞內部的元器件。降落傘由織物制成，質地柔軟，充滿后可以獲得比原來折疊狀態大好幾十倍到幾百倍的阻力面，可以大大降低物體在空氣中的運動速度。降落傘還能在物體的運動過程中起穩定作用，保證浮標入水時一定的角度。本文對常見降落傘進行了研究分析，通過對氣動特性的對比，以及浮標入水時的速度要求，得出降落傘的具體結構形狀及尺寸。通過試驗驗證降落傘的穩定性。

1 降落傘設計

1.1 傘形設計

降落傘的形狀是其在未充氣時的結構形狀來分類的，不同結構形狀的降落傘在工作過程中具有不同的氣動特性。

(1)方形傘

方形傘衣結構為切去四角的平面方形，由數幅織物鎖縫而成，如圖1所示。傘衣上縫有加強帶，以加強傘衣的強度及限制織物可能撕破的范圍。方形傘的結構較為簡單，材料利用率高，但其開傘過程中傘衣各部分錯位較為嚴重，易造成傘衣與傘繩、傘衣與傘衣抽打損傷，受力不均時易產生局部破損。靜穩定的迎角范圍為±20°。

圖1 方形傘衣平面示意圖

(2)圓形傘

圓形傘在俯視圖中為一圓形，其結構對稱，工作可靠，開傘時受力較均勻，多數傳統降落傘以圓形傘作為基本結構。圓形傘包括平面圓形傘、底邊延伸型傘和成形幅傘。平面圓形傘由合頂角為360°的等腰梯形組成，如圖2所示。相鄰梯形的腰相互縫合，傘繩沿徑向穿過縫合部間隙，穿過傘衣的傘繩長度比傘衣縫合部稍短。頂孔的直徑通常為傘衣直徑的5%～15%。其阻力系數一般為0.75～0.80，靜穩定迎角范圍為±10°～40°。

圖2 圓形傘衣平面示意圖

平面圓形傘傘衣在充滿時受力不均，其頂部受力最大，易被破壞。

(3)帶條傘

帶條傘傘衣由同心帶條組成，如圖2-3所示，由平行于底邊的水平帶條和垂直于底邊的垂直帶條所組成。一般帶條傘的阻力系數為0.45～0.50，且隨結構透氣量的變化而變化。帶條傘的穩定性非常好，其靜穩定迎角范圍為0～±3°，常用于高速大負載的減速傘。但是其工藝性要求非常高，必須保證良好的對稱性，稍不對稱的情況下，傘衣就易產生轉動。

圖3 帶條傘衣平面示意圖

(4）旋轉傘

旋轉傘傘衣形狀具有中心對稱，在充滿時，傘衣上具有方向一致的排氣口。旋轉傘從空中下降時，氣流主要通過傘衣上方向一致的排氣口排出，排出的氣體所產生的作用力矩使傘衣繞中心軸旋轉。旋轉傘下降時的高速旋轉使物傘系統具有良好的穩定性，主要用于彈射座椅穩定傘、炸彈減速傘、空投重物的穩定傘等。旋轉傘較一般降落傘而言，具有較高的穩定性，但缺點是工藝性復雜、加工要求較高，且在傘與物之間需要轉子過渡。

(5）十字形傘

十字形傘的結構呈十字形，由兩個相同矩形織物面成直角相交連接，形成一個具有四個相同側福的平表面，如圖4所示。影響十字形傘氣動性能的主要參數是它的臂長比，即組成十字形傘的矩形織物的長寬比。臂長比大于3的十字形傘較為穩定，靜穩定迎角范圍為0°～±3°。十字形傘具有穩定性好、材料利用率高、制造工藝簡單等優點，應用于阻力傘、航彈傘、投物傘等。但是十字形傘較易旋轉，加工時要控制其對稱性。

圖4 十字形傘衣平面示意圖

本文所設計的降落傘用于空投聲吶浮標使用，浮標在入水時要盡量垂直于水平面，即靜穩定迎角要盡量小，同時浮標中無法裝入體積較大的傘衣，傘衣的結構要盡量簡單，易于制造，因此選擇十字形傘作為浮標的降落傘。

1.2 傘衣及傘繩設計

降落傘主要由傘衣和12根傘繩組成，傘衣的形狀如圖4所示，按降落傘各邊長均為W進行計算，降落傘面積S傘衣=5W2。

浮標降落過程中，傘衣充滿呈半球形，如圖所示。

圖5 降落傘展開示意圖

其中d為浮標直徑，D為降落傘投影直徑，L為降落傘傘繩實際長度，Lsh為降落傘傘繩名義長度，滿足如下等式：

其中

D0為十字降落傘矩形織物的長度；

ξ和η為常數，根據傘形確定；

傘繩一般采用高強度材料，在浮標剛離機時，降落傘傘繩需承受的過載沖擊滿足如下等式：

其中

ρ為海平面空氣密度，

v為浮標剛離機時的速度，

CD為降落傘空氣阻力系數，

S0為降落傘充氣后的投影面積。

2 聲吶浮標下降過程仿真分析

聲吶浮標在飛機上被投下后，降落傘的過程主要分為拉直、充氣和穩定三個階段。

降落傘拉直階段指降落傘從傘袋中被帶出的過程，浮標在此過程中主要分為水平運動、豎直運動和繞質心旋轉運動；降落傘充氣階段指降落傘從傘袋中拉出到傘衣完全充滿成半球形的整個過程，該過程時間非常短；降落傘穩定階段指降落傘傘衣充滿后穩定減速下降至勻速下降的過程。

圖6 浮標空中示意圖

以浮標重心位置為原點飛機飛行方向為x軸，指向地心為y軸，z軸滿足右手法則，建立坐標系，如圖所示。

浮標空中運動模型可用如下方程組表示：

其中：

v為聲吶浮標空中運動速度；

θ為聲吶浮標速度與飛機飛行速度之間的夾角；

h為浮標下降高度；

g為重力加速度；

Cd為降落傘阻力系數；

S為降落傘阻力面積；

ρ為空氣密度，一般為1.225kg/m3；

m為浮標質量。

按照浮標重量16kg，在300m空投高度、飛機平飛速度為550km/h時，浮標在空中運動速度與下降高度變化曲線、傾角與下降高度變化曲線及下降高度與時間變化曲線如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 浮標速度隨高度變化曲線圖

圖8 浮標角度隨高度變化曲線圖

圖9 浮標下降高度隨時間變化曲線圖

從仿真結果可以看出，飛機在投放浮標約14.5s后入水，入水速度在24.7m/s，浮標入水角度約為89.5°，基本以垂直姿態入水。

3 結論

本文通過對常見降落傘的對比，選擇了十字形傘作為浮標投放用的降落傘，其具有體積小，制作工藝簡單，工作穩定等優點。按照浮標投放時飛機平飛速度550km/h，投放高度300m進行計算，浮標離機約14.5s后入水，速度約24.7m/s，入水角度約89.5°，基本以垂直姿態入水，所設計的降落傘基本滿足使用要求。