回收降落伞伞包设计

林 斌

(北京空间机电研究所,北京100076)

1 引言

降落伞伞包(亦称伞袋[1])为降落伞系统的主要组成部分,降落伞伞包用于包装降落伞及其金属连接件和连接带等部件。使其保持给定的几何外形,并保证伞衣、伞绳等部件在工作前不受气流吹袭和不与其它物体钩挂。在开伞过程,能控制降落伞组件的拉直程序,确保降落伞系统正常开伞。

伞包设计是降落伞系统设计的关键技术之一,降落伞系统研制和使用过程中,由于伞包设计存在的缺陷而出现故障所占比例还是相当之多,因此应当吸取以往的经验教训,一定要完全掌握伞包的工作原理,对伞包进行精心设计。回收降落伞伞包与人用和投物伞伞包的设计有所不同,主要区别于人用和投物伞的伞包是依附在回收物的外面,而回收降落伞伞包是安装在回收物的里面,因此开伞方式也存在很大差异[2]。

伞包的结构形式多种多样,由于伞包结构形式与开伞程序密切相关,因此,伞包的类型主要按结构形式区分,可分为三类:

1)柱状形伞包。这种伞包的结构形式最为简单,一般用作顺拉伞、弹伞筒弹伞的伞包,亦可用作外伞包。

2)隔腔式伞包。伞包的内腔分隔成两部分,即:伞衣与伞绳分别包装。它兼有拉直袋的功能,因此常用作倒拉式开伞的伞包。

3)空心圆柱形伞包。这种伞包适用于单个弹射筒中轴弹伞,弹盖和开伞动作联动,程序非常简单,但伞包构造比较复杂。

2 伞包设计依据与分析

2.1 设计依据

伞包设计主要依据如下:

1)伞包外形尺寸与质量的要求。

2)所包容的降落伞系统相关参数,包括:伞绳总长度,吊带厚度,伞系质量。

3)拉直方式。

4)最大载荷。

5)解除封包方式。

6)接口关系。

2.2 设计分析

根据设计条件,伞包设计分析主要考虑的因素如下:

1)降落伞系统拉直方式。伞包选用何种类型,主要取决于降落伞系统的拉直方式。

2)包装密度。根据伞舱容积和所包容的伞系质量,估算包装密度范围。如果包装密度较大,伞包设计应适合压力包装的要求,如伞包口边应设计有可供吊挂的承力扣襻。

3)最大载荷。设计时要把握伞包在飞行器飞行期间和开伞过程所承受的最大载荷,以及作用力的方向。伞包结构强度和封包绳设计应满足承载的要求。

4)解除封包方式。解除内封包通常借助于伞绳拉直力将封包伞绳束抽脱来实现。解除外封包应考虑封包的形式:强封包绳靠切割刀切割来实现;弱封包绳靠拉断绳来实现;还有采用拔销方法来实现。

5)接口关系。伞包接口关系主要有两种:压板连接和扣襻带连接。若是扣襻带连接,其端头的尺寸大小,应按与其连接的连接件尺寸来设计。

6)伞包拖带长度。伞包拖带长度的确定,主要依据是由伞包底部安装位置到伞包吊挂点的距离和吊挂形式来确定的。

7)内表面设计。为避免高速摩擦给伞衣造成损伤,伞包内表面应通畅光滑,衬布材料要选用摩擦系数小的棉质绸布。衬布尽可能安排为后加工,以便将先前裸露的加工线迹覆盖住。

3 伞包结构设计

3.1 柱状形伞包

3.1.1 概述

柱状形伞包主要由封包盖片、伞包柱体、横向加强带、纵向带及扣襻、伞包底部等组成。见图1。

图1 典型柱状形伞包示意图

这种伞包结构简单,其外形按伞舱内腔形状设计。伞衣和伞绳按S形状摆放,不用扎结固定。封包通常用封包绳结扎;或用插销锁紧。

柱状形伞包较适合顺拉式开伞或弹伞筒弹伞,此种情况下伞包所受的作用力都比较小;只有在飞行和回收过程,可能会承受较大的轴向过载。因此伞包的封包与固定连接强度,应按某一环节出现的最大过载设计。

3.1.2 主要构件设计

(1)伞包内腔

伞包柱体与伞包底部和封包盖片缝合后形成伞包容腔。伞包内腔用于容纳降落伞、金属连接件和吊带等部件,使其保持一定的几何外形。

柱状形伞包一般采用手工包装,包装后伞包的上、下底将有所凸出,因此,初始设计伞包柱体高度大约按95%的限定高度设计。

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(2)封包盖片

封包盖片的功能是借助于封包绳或插销将伞包封闭,使所包容的伞系在出伞程序启动前不受气流吹袭和不与其它物体钩挂。

封包盖片通常由5块以上扇形盖片组成,盖片上设有扣襻,供穿封包绳或插销使用。

(3)加强带

纵向加强带虽然是承力构件,但伞包受力不大,主要与横向加强带缝合在一起,形成受力框架,保持伞包外形。如果需要,纵向加强带向底部延伸,形成扣襻,与伞包连接件连接;向口边延伸,形成扣襻,用于吊挂伞包,辅助包伞。

横向加强带与纵向加强带缝合在一起,形成受力框架,保持伞包外形。对上、下底的缝合是为了起加强作用。

3.2 隔腔式伞包

3.2.1 概述

图2 隔腔式伞包示意图

伞包内部,伞衣与伞绳由内封包盖片分隔开来。在伞包储藏伞绳的部位,其内侧根据伞绳的长度,设数排扣襻带,用作连接伞绳捆绑带使用。

内封包通常靠集束伞绳回折后,穿过内中间盖片的扣襻来实现;外封包靠封包绳锁紧。

伞衣与伞绳内腔分配原则,首先是考虑伞衣与伞绳舱段所包容的质量比、伞绳的长度、伞绳束直径、伞包横截面积尺寸、伞绳束盘曲的次数与层数等综合因素,先估计伞绳所占用的高度值,经过试包后再做调整。剩余空间全划归给伞衣包装。

作为倒拉式开伞,通常用引导伞(或减速伞)拉下一级降落伞。由于伞包固连于伞舱内,所以随同返回舱一起运动。当引导伞与返回舱分离时,两者之间产生相对运动。当伞包拖带全长拉直瞬间,则引导伞与伞包两者之间产生速度差,引导伞伞绳、连接带、吊带和伞包拖带等将被继续拉伸,直至相对速度为零。在两者速度合二为一的瞬间,伞包将出现最大的惯性力,伞包结构强度和封包绳强度设计应以此最大惯性力为依据进行设计。

3.2.2 主要构件设计

(1)伞包内腔

伞包柱体与伞包底部和封包盖片缝合后形成伞包容腔。伞包内腔用于容纳降落伞、金属连接件和吊带等部件,使其保持一定的几何外形。

若采用压力包装,考虑包装后伞包上、下底会向两端凸出,因此,初始伞包设计,其柱体高度大约按85%的限定高度进行设计。

(2)封包盖片

内封包盖片和中间盖片组合后使伞包形成内外容腔,分别装填伞衣和伞绳,保证先拉直伞绳后拉直伞衣的倒拉出伞程序。内封包盖片和内中间盖片应设计有能够相互锁紧的扣襻,让集束伞绳从中穿过,构成内封包。

外封包盖片的功能是借助于封包绳将伞包封闭,使所包容的伞系在出伞程序启动前不受气流吹袭和不与其它物体钩挂。外封包盖片通常由5块以上扇形盖片组成,封包盖片上设有扣襻,供穿封包绳使用。

(3)加强带

纵向加强带为主要承力构件,有的伞包设计采用纵向加强带从伞包底边向外延伸作为拖带,然后汇交成套环,与伞包连接件连接。

横向加强带与纵向加强带缝合在一起,形成受力框架,并对伞包的连接结构起加强作用。

(4)固定扣襻带

固定扣襻带在伞包内侧,由固定带和扣襻带组成。固定扣襻带用于套结伞绳捆绑带,实现伞绳分段与伞包柱体内侧扎结固定。

3.3 空心柱形伞包

3.3.1 概述

空心柱形伞包主要由方形吊环、吊带、内盖片、外盖片、底边加强带、中间加强带、侧壁衬布、口边加强带、芯柱加强带、芯柱、芯柱衬布、侧壁、底部衬布、阻燃盖布、底部等组成。图3为典型的空心圆柱形伞包示意图。

图3 空心圆柱形伞包示意图

这种伞包是为了适应弹射筒安装在伞包中轴位置而设计的。采用这种结构形式,给伞包制造、包装、成形和封包等带来一定的难度。由于弹射筒的推力很大,因此对伞包结构强度要求很高。

弹射筒弹伞,伞包是通过压板与伞舱盖固连。伞舱盖受到弹射筒的推力,通过压板传递给伞包,设计要注意压板与伞包之间的连接强度。

伞包内所包容的降落伞惯性力方向朝下,冲向包口,因此,封包的可靠性乃是关键技术环节,设计应注意封包既要牢靠,又要便于解脱。

弹射分离后,降落伞得到了与返回舱的相对速度,此后由返回舱拉直降落伞,能自行拉直,无需采用程序控制措施。

3.3.2 伞包主要构件设计

(1)伞包内腔

伞包内腔是在柱状形伞包的基础上加一芯柱而成。伞包后,呈空心柱形。

(2)封包盖片

封包盖片分为内、外盖片。内盖片设有封包扣襻带;外盖片与内盖片相对应,设有方形吊环。封包扣襻带穿过方形吊环后,形成带环,利用回折的吊带穿过带环,拴住封包扣襻带,使扣襻带不可回缩,起到封包作用。吊带压在金属吊环上,在解除封包时,摩擦力小,容易滑脱。

(3)纵向加强带

由于弹射力大,伞包承力构件主要是纵向加强带。为减少搭接缝合部,设计将伞包外侧纵向加强带与芯柱纵向加强带采用连续形结构形式,以提高承载能力。芯柱纵向加强带上端延伸到内盖片上,并形成封包扣襻带。

(4)阻燃盖布

考虑弹射筒分离后,筒内火药余烬可能对裸露的产品外层造成伤害,特设计有1块阻燃盖布加以保护。

4 设计试验验证项目

主要试验验证项目如下:

1)包伞试验。试验目的是为了验证伞包成形情况能否满足要求,并为制定包伞工艺提供依据。

2)伞包出舱试验。试验目的是为了试验伞包出舱过程是否顺畅,有无钩挂现象。

3)解除封包与伞系拉直试验。试验目的是为了试验解除封包与降落伞拉直过程的协调性与可靠性。测量切断封包绳和拉断伞绳捆绑带的作用力。

4)空投试验。试验目的是为了验证开伞程序协调性与可靠性。目测回收的伞包是否完好无损。

5 结束语

伞包种类各式各样。伞包设计与开伞方式和拉直程序密切相关,设计人员应吃透降落伞拉直过程的工作机理和伞包所起的作用,一定要根据型号的特点进行设计,注意各个受力环节的载荷分析计算,不可盲目地生搬硬套。本文列举的几种伞包结构型式,都在不同型号中得到使用,技术是成熟的,可供设计人员参考。

[1]德威斯J H.气动力减速器原理及设计[M].回返技术翻译组译.北京:国防工业出版社,1976.

[2]《降落伞技术导论》编写组.降落伞技术导论[M].北京:国防工业出版社,1977.