超大型組合翼傘開傘性能研究

吳瓊 張紅英 段非 胡雪鵬

超大型組合翼傘開傘性能研究

吳瓊1張紅英1段非1胡雪鵬2

（1 南京航空航天大學航空學院，南京 210016）（2 航空工業航宇救生裝備有限公司，襄陽 441003）

為深入了解超大型組合翼傘與連續翼傘開傘過程的差異，文章通過數值模擬計算對超大型組合翼傘和連續翼傘的開傘性能進行了對比研究。首先，基于自由曲面變形（Free-Form-Deformation，FFD）理論建立了超大型翼傘的展向折疊模型，然后應用任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）方法對翼傘折疊模型進行了充氣過程的流固耦合仿真計算。分析了超大型組合翼傘和連續翼傘充氣過程中的傘衣外形、傘衣應力和氣室充氣規律，深入對比了超大型組合翼傘和連續翼傘的充滿時間和開傘動載。研究表明，連續翼傘和組合翼傘的開傘性能差異很小，兩者的充滿時間相差不大，組合翼傘展開效果更好，動載之差在5%左右。與連續翼傘相比，組合翼傘更易于制造和使用。研究將為超大型翼傘的設計優化提供一定的參考。

超大型組合翼傘 充氣展開 自由曲面變形理論 任意拉格朗日-歐拉方法 開傘動載

0 引言

翼傘，相比于傳統降落傘，具有高滑翔比、可操縱性強、著陸精準及可靠性強等優勢，在航空、航天、民用等領域得到了廣泛應用，近些年來更成為國內外研究重點[1]。翼傘最具有代表性的應用是在20世紀90年代，美國對X-38原型機開展了無人駕駛的投放試驗[2-4]。他們利用翼傘的減速與滑翔特性，使樣機最后安全定點著陸。此次試驗成功后，其他各國航天機構紛紛開始加入到翼傘技術的研究與試驗中。

翼傘按上下翼面的傘衣是否為連續曲面可以分為連續翼傘與組合翼傘。連續翼傘即常規翼傘，上下翼面的傘衣均為一個連續曲面。組合翼傘上下翼面的傘衣均為非連續曲面，由多個模塊組合而成，每個模塊包含多個氣室，相鄰模塊的組合方式通過上下翼面設置連接點進行連接，在連接點位置設置連接扣，再通過快卸式連接繩進行連接，以便能夠快速固定和分離。

近些年，我國對連續翼傘進行了諸多數值仿真研究。汪龍芳計算了翼傘從自然展開狀態到充氣鼓包狀態的充氣過程[5]；聶帥提出了一種基于R-N流體傳輸的分區耦合迭代方法，用于翼傘展開過程的流固耦合數值模擬[6]；張思宇等人開展了翼傘充氣過程中的流固耦合動力學特性研究[7]；陸偉偉等人對某大型翼傘進行了三維定常數值模擬[8]；田似營等人采用流場、結構松耦合方法數值模擬翼傘的充氣過程[9]；熊宇超等人通過仿真證明了穩定傘和減速傘可以使火箭助推器穩定減速，為翼傘開傘提供前提條件[10]；王立武通過調研國際上航天器翼傘精確回收領域發展情況并差距分析，初步規劃了技術路線，擬通過設計、仿真、試驗互相迭代實現關鍵技術的理論突破[11]。上述研究中，并沒有人使用流固耦合方法仿真計算研究組合翼傘的開傘性能。

由于大型連續翼傘具有面積大、質量大的特點，在加工生產、包裝使用、回收維護等方面都存在一系列問題。國外已開展大型組合翼傘的探索研究，借鑒常規重裝空投系統中群傘設計理念，使用模塊組合的方式來進行大型翼傘的設計。美國研制的組合翼傘Megafly成功開傘驗證了組合翼傘設計的可行性[12]。Jean-Christophe Berland等人將組合翼傘進行了40次的空投實驗[13]。國內楊鋒魁對組合翼傘也開展了風洞試驗[14]。該思路可以有效解決大型翼傘在加工、使用、維護等方面存在的一系列問題。

從總體上看，國內關于超大型組合翼傘的仿真研究尚屬空白，本文建立超大型組合翼傘的流固耦合仿真模型，通過仿真計算與分析，對比分析超大型組合翼傘和超大型連續翼傘的開傘性能，以期為超大型翼傘的優化設計與開傘性能研究提供一定的參考依據。

1 理論基礎

1.1 流固耦合控制方程

翼傘展開過程是一個柔性體大變形的流固耦合過程，使用拉格朗日法或歐拉法進行結構運動的描述會導致網格畸變嚴重，計算終止。任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrang-Euler，ALE）方法結合了拉格朗日法和歐拉法的優點，非常適合對大變形結構的運動進行描述。本文在ALE法基礎上采用結構化任意拉格朗日歐拉（Structured Arbitrary Lagrange-Euler，S-ALE）方法進行流固耦合仿真，采用結構化的網格結構，使得單元和節點的連通性更加簡單，這將極大簡化ALE耦合方法中的搜索算法。

S-ALE方法的流體控制方程由質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程組成，如下所示：

網格控制方程為

翼傘的結構控制方程為

1.2 翼傘展向折疊方法

翼傘為非展平曲面所構成的多氣室-雙翼面結構，并且通過開孔的肋片將內部分割成多個氣室，正是因為翼傘結構的復雜性，所以無法用常規的折疊方法來建立展向折疊模型。針對這一難點，借鑒計算機進行三維視覺特效的曲面變形的技術，再結合翼傘實際折疊包裝的工序，本文提出了基于自由曲面變形（Free-Form-Deformation，FFD）理論的柔性翼傘折疊建模技術。該方法主要是通過控制幾何模型移動方向與位移，對曲面進行相應的變形處理，然后再通過齊次坐標法的張量矩陣進行展向的移動與復制等相關變換，從而順利解決了多氣室沖壓翼傘柔性傘衣織物的展向折疊建模問題，對進一步基于數值模擬耦合方法開展翼傘充氣機制的研究具有重要意義。

圖1 FFD六面體控制晶格

翼傘任意一點對應的全局坐標為

Bernstein多項式

2 計算模型

2.1 翼傘幾何模型

參考Megafly翼傘的尺寸[12-13]，本文研究的836 m2的翼傘幾何模型如圖2所示，具體幾何參數如表1所示。翼傘肋片材料均采用的是具有大透氣性特性的紡織物，將中間氣室沿展向的中心面定義為中軸面，于是整具翼傘關于中軸面對稱，且傘繩匯交點在中軸面上。翼傘各氣室的肋片和左右兩側的傘衣上的傘繩展向均勻分布64排、弦向均勻分布9排，合計576根傘繩；操縱繩左右各有1根，每根操縱繩與9根傘繩相連，這9根傘繩分別連接在除了中間氣室以外的側邊氣室的所有肋片處。以此幾何模型為例，分別對超大型連續翼傘和超大型組合翼傘進行建模仿真。

圖2 翼傘結構示意

表1 翼傘的幾何參數

2.2 展向折疊模型

進行超大型連續翼傘與超大型組合翼傘開傘過程研究的第一步就是需要進行折疊建模。從幾何模型來說，翼傘的上下兩翼面是柔性非展平曲面，并且通過開孔的肋片將內部分割成多個氣室，正是因為翼傘結構的復雜性，所以無法用常規的折疊方法來建立折疊模型。針對這一難點，本文提出了基于FFD法的柔性翼傘折疊建模技術。該方法主要是通過控制幾何模型上移動的方向與位移，將曲面進行相應的變形處理，然后再通過齊次坐標法的張量矩陣進行展向的移動與復制等相關變換，從而順利解決了多氣室沖壓翼傘柔性傘衣織物的展向折疊建模問題，對進一步基于數值模擬耦合方法開展翼傘充氣機制的研究具有重要意義。

為保證折疊建模的高效性，傘衣折疊過程僅對參與折疊過程的上下翼面和肋片進行操作，再與傘載系統的其他結構合并成完整模型。

翼傘每個氣室相同，且每個氣室均沿中軸面對稱，為了保持各氣室網格的一致性，首先建立半個氣室模型，再采用對稱鏡像復制的方法補齊氣室。

基于FFD的控制函數，分別進行上翼面和下翼面的折疊。折疊好上下翼面之后，對肋片進行復制后平移到相應的位置上共節點，以保證翼面與肋片之間，翼面與翼面之間是連續的，這樣就簡單形成了一個氣室，再對單一氣室進行復制鏡像，之后對形成的兩個氣室進行復制后移動，經過反復的這種操作后，最終便形成如圖3所示的單個氣室和多個氣室，再進行重合點合并連接。

圖3 單個氣室與多個氣室折疊

最后連接上下翼面，并對尾緣進行內嵌處理，形成翼傘完整傘衣結構的展向折疊模型如圖4所示。連續翼傘上下翼面的傘衣均為連續曲面，共有63個氣室，由62個承載肋片連接上下翼面，如圖4（a）和圖4（c）所示；而組合翼傘上下翼面的傘衣均為非連續曲面，分為5個模塊，中間是一個13氣室翼傘，緊接著是兩個14氣室翼傘，最外端是兩個11氣室翼傘，共有63個氣室，由58個承載肋片連接上下翼面，在連接處上翼面共有11個連接點，其中下翼面有9個連接點，通過連接點將五個模塊連接縫合成一個整體，如圖4（b）和圖4（d）所示。

圖4 完整傘衣結構的展向折疊模型

2.3 仿真計算模型

翼傘傘衣折疊模型建立完以后，再添加傘載系統的其他結構并劃分網格，合并成完整的仿真計算模型。仿真計算模型如圖5所示。傘衣主要分為上翼面、下翼面、肋片（包括承載肋片與非承載肋片）這三個部分，均采用的是四邊形的殼單元，傘繩采用的是梁/繩索單元，采用共節點的方式加以連接。整體黃色網格為流場網格，流場域的尺寸為72.8 m×40.4 m×52.4 m，在傘衣面區域對流場網格進行局部加密。采用有限質量方法充氣，水平方向速度為17 m/s，豎直方向速度為20 m/s，開傘速度是最大開傘動載的主要影響因素，載荷質量為13 700 kg，載荷的質量會影響翼傘的下降速度。

圖5 計算模型網格

3 開傘性能分析

基于軟件的S-ALE流固耦合方法，進行同樣的材料、算法、邊界條件等的關鍵字設置，數值模擬了超大型連續翼傘和超大型組合翼傘的開傘過程，分別獲得了傘衣充氣外形、傘衣應力、氣室充氣規律以及開傘性能。開傘性能主要通過分析開傘時間與開傘動載來探究兩種傘型在開傘過程的異同。

3.1 充氣外形分析

超大型連續翼傘與組合翼傘充滿狀態下的外形如圖6所示。從圖6（a）和圖6（b），可以看出與連續翼傘相比，組合翼傘的前緣張開得更充分一些。由于尾緣處于封閉空間，膨脹速率更快，外形也更為飽滿；前緣受傘繩的約束作用，導致前緣膨脹程度較弱，且向中間氣室方向靠攏。此時上下翼面呈現出凹凸不平的鼓包狀態，主要是由于氣室內充滿氣流，上下翼面受到內腔氣流壓力向氣室外側膨脹，同時又因為上下翼面受到承載肋片的約束，從而在承載肋片與傘衣連接處呈現出向內腔凹陷的外形，故在上下翼面表現為凹凸不平的波浪狀；分別對比圖6（a）與圖6（c）、圖6（b）與6（d）發現下翼面向氣室外側的凸出程度相對于上翼面較弱，這是由于下翼面連接有傘繩，受傘繩下拉作用，使得承載肋片向下移動，所以下翼面整體的凸出程度相對較弱。

3.2 傘衣應力分析

經仿真計算，連續翼傘和組合翼傘充氣過程的的應力云圖如圖7所示。在氣室充氣過程中，翼傘前緣所受的約束較少，前緣切口處存在一定角度，且一直遭受氣流吹襲，擺動頻繁，0.3 s時連續翼傘和組合翼傘前緣均產生明顯的應力集中現象，同時組合翼傘在各縫合接口處也出現應力集中現象，需要在此處適當地增加強度。各氣室受內外氣流的壓力與肋片約束力的共同作用，使得翼面呈現出凹凸不一的外形。由于展向每排的傘繩長度一致，導致傘衣充滿狀態下下翼面受傘繩拉力成一定弧度的外形。初期傘衣受高壓氣流吹襲，承受較大氣動力，應力峰值大約出現在0.30 s～0.76 s之間。同時受到傘繩的下拉作用，傘衣應力主要集中在承載肋片周邊，隨著開傘過程阻力面積的增大，0.88 s高壓區向四周擴散，傘衣載荷減小。

圖6 超大型翼傘充滿外形

圖7 充氣過程傘衣應力云圖

3.3 氣室充氣規律

翼傘前緣、中部、尾緣三部分充氣過程的展長變化見圖8。連續翼傘和組合翼傘的前緣分別在0.75 s、0.76 s達到展長最大值24.8 m、28.0 m；中部在0.63 s、0.65 s達到展長最大值35.8 m、38.7 m；尾緣在0.58 s、0.57 s達到展長最大值43.0 m、43.3 m。由于傘繩和傘衣自身具有彈性，各部位在充氣充滿后產生了一定的回彈并伴有氣室“鼓包”現象?？梢钥闯鲇捎跉饬鞯耐苿?，氣體首先進入氣室尾部，由于尾緣處于封閉空間，膨脹速率最快，前緣膨脹速率最慢。充滿后尾緣的充氣效果最佳，氣室最飽滿。通過對比連續翼傘和組合翼傘的充滿時間，發現兩者的充滿時間相差不大，充滿時組合翼傘的展長比連續翼傘的展長更長，組合翼傘展開效果更好。

圖8 充氣過程的展長變化

圖9 開傘動載隨時間的變化曲線

3.4 開傘動載對比

圖9為連續翼傘和組合翼傘開傘動載的對比情況，從圖中可以看出：兩種傘形得到的降落傘開傘動載曲線變化較為接近，連續翼傘開傘動載的峰值時間為0.266 s，載荷峰值為570 kN；組合翼傘開傘動載的峰值時間為0.222 s，載荷峰值為542 kN。由于組合翼傘是多塊傘衣拼接而成的，傘衣之間存在縫隙，部分氣流從縫隙流出未經過傘衣，故組合翼傘相對連續翼傘動載較小一點，動載之差在5%左右。

4 結論

本文對超大型連續翼傘和超大型組合翼傘的折疊充氣展開過程進行了數值模擬，研究了超大型組合翼傘的開傘性能，主要得出以下結論：

1）充氣外形。連續翼傘和組合翼傘在充滿時刻，上下翼面均呈現凹凸不平的鼓包狀態，但下翼面整體的凸出程度較弱，這是由于下翼面連接有傘繩，會受到傘繩的下拉作用，承載肋片向下移動。與連續翼傘相比，組合翼傘的前緣張開的更充分一些。

2）傘衣應力。連續翼傘和組合翼傘前緣均產生明顯的應力集中現象，同時組合翼傘在各縫合接口處也出現應力集中現象，翼面受傘繩拉力成一定弧度的外形。初期傘衣應力主要集中在承載肋片周邊，隨著開傘過程阻力面積的增大，高壓區向四周擴散，傘衣載荷減小。

3）氣室充氣規律。由于氣流的推動，氣體首先進入氣室尾部，由于尾緣處于封閉空間，膨脹速率最快，前緣膨脹速率最慢。充滿后尾緣的充氣效果最佳，氣室最飽滿。通過對比連續翼傘和組合翼傘的充滿時間，發現兩者的充滿時間相差不大，充滿時組合翼傘的展長比連續翼傘的展長更長，因此組合翼傘展開效果更好。

4）開傘性能。連續翼傘和組合翼傘的開傘性能差別很小，充滿時間相差不大，組合翼傘開傘動載相對較小一點，動載之差在5%左右。這是由于組合翼傘是多塊傘衣拼接而成的，傘衣之間存在縫隙，部分氣流從縫隙流出未經過傘衣。

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Research on Opening Performance of Super Large Combined Parafoil

WU Qiong1ZHANG Hongying1DUAN Fei1HU Xuepeng2

（1 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China）（2 AVIC Aerospace Life-Support Industries Ltd., Xiangyang 441003, China）

In order to understand the difference of opening process between super large combined parafoil and continuous parafoil, the opening performance of super large combined parafoil and continuous parafoil in the process of inflation is studied and analyzed through numerical simulation. Firstly, the span-folding model of super large parafoil is established based on Free-Form-Deformation (FFD) theory, and then the inflatable expansion of the airfoil model is simulated with the Arbitrary Lagrangian Euler (ALE) method. The full shape, load distribution and flow field variation of super large combined and continuous parachutes in the process of inflation are analyzed. The filling time and opening dynamic load of super large combined and continuous parafoil are compared and analyzed deeply. The difference in opening performance between continuous parafoil and combined parafoil is very small, there is little difference in the filling time between the two types of parafoils, expansion effect is equivalent, and the difference of opening load is about 3%. Compared with the continuous parafoil, the combined parafoil is easier to manufacture and use. The above research will provide a certain reference for the design and optimization of super large parafoil.

super large combined parafoil; inflation; Free-Form-Deform (FFD) theory; Arbitrary Lagrange-Euler (ALE); opening dynamic load

V244.21+6

A

1009-8518(2023)05-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.001

吳瓊，女，1998年生，2021年獲河南理工大學工程力學專業學士學位，現在南京航空航天大學工程力學專業攻讀碩士學位。主要研究方向為流固耦合力學。E-mail：1335294618@qq.com。

2022-08-25

航空科學基金（20200029052004）

吳瓊, 張紅英, 段非, 等. 超大型組合翼傘開傘性能研究[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(5): 1-10.

WU Qiong, ZHANG Hongying, DUAN Fei, et al. Research on Opening Performance of Super Large Combined Parafoil[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 1-10. (in Chinese)

（編輯：陳艷霞）