降落伞充气理论研究

闫志恒 王辉

摘要：本文介绍了降落伞充气的研究与发展成果，包括降落伞充气理论守恒公式。基于降落伞径向运动方程的降落伞充气理论；流固耦合理论。介绍了不同的研究方法，以及复杂的物理现象、与降落伞充气过程有关的研究困难和解决办法，最后阐述了当前充气过程的研究热点和趋势。

关键词：降落伞；充气；开伞动载

弹丸开舱后，伞衣脱离伞包，空气通过伞衣的进气口进入伞衣。进入的空气有一部分是从伞顶孔和伞衣幅之间的空隙中流出的，一部分留在伞衣内。捕获的空气增加了伞衣的内压，超出了伞衣的外压。由压力差引起的径向压力迅速向外扩散。随着气流的增加，伞衣底部的直径增大，伞衣的延伸将继续下去，直到伞衣的轴向力和径向力与伞衣的应力相平衡。

1. 半试验半理论方法

一旦对充气过程有了更好的了解，自然要构建数学模型充气过程，控制降落伞的设计和性能分析。半理论半实验试验方法中使用的充气模型大致可分为轴向动力学方程模型和轴向径向动力学方程模型两类。

1. 充气时间法和距离法。采用轴向动量方程模型将后处理充气过程的研究分为充气时间法和距离法两种方法，均采用轴向力动量模型作为研究充气的基础。充气时间法是一种在轴向运动方程式中将伞衣中体积变化的速度表示为充气时间，因此充气时间是整个轴向运动的参数。充气距离法是一种将动态轴向方程式中伞衣内的体积变化表示为函数充气距离，充气距离是动态轴向方程式中的一个参数。指定伞衣的形状(例如半球圆锥)时，伞衣中体积变化可以表示为伞衣的投影半径比。可见充气时间法(或充气距离法)是通过指定充气时间(或充气距离)来推断充气过程中伞衣形状变化与充气时间(或充气距离)之间的功能关系，通过试验获得了某些功能参数。描述充气时间法和距离法状态的发展如下:首先，认识到撑开伞是充气过程，并强调体积变化率等于进气面积和进气流速的乘积。奠定了理论基础的是充气时间法。充气距离必须与伞的尺寸成比例，同时承认附加质量对充气过程的影响。提供具有增强几何图形的伞状模型，并提供计算开放式伞荷载的方法。不可压缩流动的充气距离是恒定的结论。

2.轴向动态方程式模型。根据两种方法理论为基础，研究基于此基础的轴向动力学方程的充气模型。具有充气时间法的轴向动态充气模型。采用充气时间法研制了轴向动力学方程的充气模型，并用于计算伞衣系统的孔径。

3.轴向-径向动态方程式模型。轴向动态方程的充气模型以伞形状变化为输入函数，利用质量守恒方程解决问题，这是有限的。伞内部质量的聚集是伞衣充气的结果，而不是原因。伞形状变化的解决方案从使用伞内体积质量保留方程改为使用伞径向数量方程。建立了回收物与伞的动力学方程，包括伞衣径向运动的动力学方程。使用轴向和径向动力学方程式研究膨胀，该模型需要由试验得到伞的阻力系数、径向膨胀系数、附加质量系数等。

二、完全理论方法

1.伞衣周围流场模型。用于确定伞上的压力分布。在伞衣压力分布研究开始时，该研究方法通常以势流理论为基础。伞不是非流线型的，旋涡运动是在伞衣后面，一些研究人员试图对伞周围流场的旋旋涡转动力学建模。伞衣上的压力分布可以通过涡旋动力学模型的解析或涡旋方法的数值解来实现。对降落伞进行了一系列关节段的建模，考虑到尾部的流动和涡旋在降落伞上的下落，最后计算了降落伞上的压力分布，通过用涡旋表面代替计算充气时伞的压力分布。该方法的结果更符合实验结果。涡格方法用于预测围绕邻近物体和伞状物体的不规则、粘性和不可压缩的流动。

2.伞衣结构模型。伞衣结构模型用于在外力作用下解决伞的应力和位移。伞衣的约束取决于伞的形状，而伞的形状又取决于伞衣的约束分布。此交互既需要约束。在充气过程中，降落伞变形，直到所有组件达到力平衡。作用于伞上的气体功率是由吊重载荷的力平衡的，而作用于每个伞衣幅总成上的气体功率是由作用于相邻总成上的力平衡的。在充气过程中，可使用达郎贝尔原理随时将降落伞视为静态。压力-应变平衡方法是调整压力分布曲线在给定充气条件下的值，以及根据上述思路研究的充气条件下的值，以计算平衡状态下的总形状和应力分布。

3.流场与结构模型之间的耦合。实际充气过程是伞体周围流场与伞体变形之间的相互作用过程。当分别使用流场或结构模型来模拟膨胀过程时，通常无法从试验(或预先规范)中除某些数据(例如形状或伞衣上的气动力)。同时，我们注意到Cano和Cala模型忽略了降落伞惯性(例如加速度)，因此这只是降落伞载荷的静态分析。这也要求我们将降落伞周围的流场模型与降落伞的结构模型连接起来，并建立一个充气模型，在降落伞打开时反映降落伞不断变化的特性。根据耦合程度，流场模型和结构模型可分为三种情况:

（1）强耦合。该耦合是流体和结构方程的组合。该耦合方式的缺点是，由于流场和结构的不同属性，同步方程可能会变得刚性。此外，结构方程的计算速度与流体公式的计算速度相差很大，导致计算资源的浪费。

（2）中等耦合。耦合分为流体方程和结构方程的计算，包括节点加速度，速度和位移随时间的推移而相等。其计算成本过高的缺点。

（3）松散耦合。耦合结果来自结构计算，并传递至流体方程式以用于其他时间步长计算。此方法可大幅提高计算速度，但可能会导致计算不稳定。

降落伞充气研究在不断发展，该研究考察了流体动力学和降落伞充气过程的结构动力学，提高工程计算方法的准确性和通用性。在理论研究中对降落伞充气过程进行建模，提高降落伞系统的计算机仿技术，完善伞衣结构的动力学模型，以及伞绳，负载及其周围气流的模动力学模型。该模型能够适用于降落伞的设计和性能分析，为降落伞的设计和试验提供理论支撑和数据参考，但降落伞充气的过程非常复杂，降落伞伞衣形状的变化、快速的减速和透气的非流线型物体的流体动力学,使充气过程的精确数值模拟成了一项较为困难的挑战。

参考文献：

[1]丁瑞东.降落伞充气过程研究方法综述[J];商场现代化;2019年16期

[2]李海.降落伞充气理论的发展[J];青岛大学学报(自然科学版);2019年02期

[3]吴宇.基于SPH方法的降落伞展开过程数值研究[J];云南画报;2019年04期