降落伞收口技术

林斌 吴卓

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

降落伞的结构强度设计，是以最大开伞动载为依据。为了减小开伞动载，设计人员采用控制展开伞衣阻力面积的方法获得了显著的成效。

虽然采用多级降落伞系统也可以控制最大开伞动载，但由于采用多级开伞工作程序复杂，单点失效环节增多，有时布局安排也受到限制，而且抛掉的减速伞不再发挥减速作用，阻力效率不高，因此不是理想的候选方案。

为控制伞衣阻力面积，研究人员提出了多种方案[1]，诸如伞衣顶孔下拉和采用中心控制绳无级收口等方法，由于机构复杂，工程应用不容易实现，所以未被采纳。目前得到广泛使用的是伞衣底边收口装置，本文对该装置进行详细介绍。

2 工作原理

在每个伞衣幅底边装上1个收口环，并在伞衣底边安装数个收口绳切割器。用1根绳子穿过每个收口环和收口绳切割器穿绳孔，收拢到某一程度，两端结牢，使伞衣展开后呈收缩状态，如图1所示。图中DV为伞衣顶孔直径；DR为收口绳圈外接圆的直径。伞绳拉直瞬间，借用拉直力，通过旁系支绳，启动收口绳切割器击发装置，按预定的延迟时间，切割器把绳子切断，解除伞衣状态，然后完全充满。为可靠起见，每道收口一般采用2至3个切割器，只要其中1个工作，即可解除伞衣收口。

图1 降落伞底边收口Fig.1 Parachute skirt reefing

3 组成

降落伞收口装置主要由收口绳、收口环和收口绳切割器组成。

3.1 收口环

收口环用于承受收口绳的张力。收口环的横截面为矩形，要求边缘倒圆、光滑。矩形截面在连接处具有较大的接触面，并使收口绳在收口环和伞衣底边之间不发生缠结现象。如果没有特殊要求，可选用标准件。

3.2 收口绳切割器

收口绳切割器为延迟解除收口的装置。它是利用火药燃烧的动力推动切割刀，切断收口绳来实现的。在国外，收口绳切割器的品种繁多[2]，不论是外形结构、击发装置、延迟时间和穿绳孔大小等，都有很大区别，各种典型的收口绳切割见图2。而国内使用的收口绳切割器品种比较单一，常用的是HGQ1-01A收口绳切割器。 见图 2（a）。如果按延迟时间分，有 2s、3s、5s、8s和 10s等规格。

图2（b）、图 2（c）、图 2（d）分别为水星和双子星座、阿波罗[3]、SRB的降落伞使用的收口绳切割器结构示意图。

图2 各种典型的收口绳切割器Fig.2 Various typical reefing line cutters

上述4种典型收口绳切割器的结构特点，见表1。

表1 各种收口绳切割器的结构特点比较Tab.1 Characteristics comparison among various reefing line cutter

3.3 收口绳

根据收口绳所承受的载荷，可从标准的绳、带中选用适合的产品。最好选择编织紧密，伸长率较低的材料。收口绳乃是关键件，由于收口绳载荷分析不太精确，而且受力不均，加上高速滑动摩擦容易受损，所以安全系数应取3以上。

4 安装固定

收口装置在伞衣底边的安装，其位置和安装固定方式有所不同。

4.1 收口环安装固定

收口环安装的位置有4种。

第一种，收口环安置在伞绳连接处的内底边，见图3。这是通常使用的方式。

图3 收口环在伞衣内底边固定方式Fig.3 Reefing ring installation method in parachute skirt

第二种，收口环安置在每一伞衣幅底边中心内侧，称为幅中收口。幅中收口的出发点是使伞衣底边形成双倍的制约点，减低收口伞衣未充气部分的飘荡和抖震，提高进气口面积的均匀度。图4为伞绳连接处收口与幅中收口比较。图中，A为收口环固定点；B为伞绳连接点。

图4 伞绳连接处收口与幅中收口比较Fig.4 Comparison between reefing in line joint and mid-gore reefing

对多伞系统而言，幅中收口能使各伞充气过程比较均匀，收口阻力面积变化更加一致，可改善多伞系统开伞的同步性。“阿波罗”主伞就是采用这种收口方式。幅中收口对于给定收口比的收口阻力面积稍有偏大。带条伞应避免采用幅中收口，因为在伞衣初始充气时，将起到抵消收边带的作用。

第三种，将收口环安置在每根伞绳上端。这种方法适用于带型伞绳的多级收口。其安装固定和穿收口绳的操作相对比较方便。图5为“战神”I主伞收口环的安装固定照片[4]。

图5 “战神”I主伞收口环在伞绳上的固定方式Fig.5 AresⅠmain parachute reefing ring retainer design in line

第四种，收口环从伞衣内底边沿径向带分布，X-38的减速伞是采用这种方法。

收口环固定，通常采用短带通过缝纫将其固定在伞衣底边、伞绳或径向带上。

4.2 收口绳切割器安装固定

4.2.1 收口绳切割器安装

收口绳切割器安装方式有两种：正装和倒装。

正装，即穿绳孔在上，击发装置在下。击发装置的拉绳下端系在伞绳上，如图6所示。这种安装方式，连接击发装置的拉绳比较方便，但靠近伞衣底边的伞绳比较零乱。

图6 收口绳切割器正装示意图Fig.6 Front view of reefing cutter installation

倒装，即穿绳孔在下，击发装置在上。击发装置的拉绳下端系在径向带上，如图7所示。这种安装方式，伞绳比较整齐。切割器先拉直后击发，工作可靠性高。但包伞过程必须小心谨慎，防止击发拉绳位移，产生误动作现象。“战神”I-X火箭降落伞系统空投试验，之前意外拉动收口绳切割器，导致收口绳切割器还在伞包内时就提前触发工作，致使试验遭受失败[3]。后来经过改进设计，延长了保护套管，将收口绳切割器拉绳全都包裹在套管内，见图8，这样就能够有效避免在降落伞打开之前拉绳意外拉动切割器。

图7 收口绳切割器倒装视图Fig.7 Bottom view of reefing cutter installation

图8 切割器改进安装设计Fig.8 Improved reefing cutter installation

4.2.2 收口绳切割器固定

收口绳切割器的固定方式，通常有两种。

一种是用帆布做成套管，预先缝在伞衣内底边。切割器装入套管后，在套管横向再用缝线将切割器绕扎缝固。这种固定方式比较轻便，但包伞周期较长，需要熟练的缝纫工操作。

另一种是通过带有套管的金属底座，如图9所示，预先与伞衣底边连接。切割器装入套管后，在套管横向的凹槽处，用金属夹箍将切割器固定。这种固定方式操作简便，包伞周期短，适合于战备需求，但增加了结构质量。

图9 切割器底座Fig.9 Cutter mounting bracket

5 主要参数的确定

5.1 收口比与阻力面积比关系曲线

伞衣收口程度以收口比和收口阻力面积比来表示。

收口比定义为收口绳圈直径与伞衣名义直径之比，用δ表示，即：δ=Dsk/D0。式中DSK为收口绳有效长度构成绳圈的直径；D0为伞衣名义直径。

阻力面积比定义为伞衣收口状态阻力面积（CA）sk与完全张满伞衣阻力面积（CA）0之比，用ε表示。即：ε=（CA）sk/（CA）0。

各种不同类型降落伞的阻力面积比随收口比的变化关系，是从风洞试验中获得。图10为几种典型降落伞的阻力面积比随收口比的变化关系曲线。

图10 收口比与阻力面积比的关系Fig.10 Parachutes drag area ratio vs reefing ratio

试验表明，收口比小于6%，有些伞会出现诸如甩动、喘震、缩瘪等充气异常现象，因此收口比不宜选取太小。

5.2 收口比和延期时间的确定

根据开伞条件和技术要求，初选出各级降落伞的收口比和延迟时间参数，通过弹道和各级最大开伞动载的计算，并对计算结果进行分析比较，判断降落伞收口状态达到平衡速度所需的时间，以及各级最大开伞动载存在的差距。然后调整输入参数重复计算，再确定各级收口比和延迟时间。理想的设计，各级最大开伞动载应接近于等值，工作程序尽可能紧凑。最终要以空投试验实测数据为依据，验证计算结果是否正确。如果试验结果不太满意，可适当调整收口比参数，重复计算，终将达到期望的结果。

5.3 收口绳有效长度和收口阻力面积的计算

收口比确定后，收口绳的有效长度必须通过计算获得。

从图8中可见，由收口绳所构成的绳圈，近似于正多边形的边长，而不是圆周。正多边形的边数与伞绳数相等。伞绳数愈少，则其边长与外接圆的周长差距愈大。伞绳数愈多，其边长愈接近于外接圆的周长。由此可见，伞绳数n对收口绳圈的长度影响予以修正。

伞衣完全充满底边直径DRO大小，受伞型、伞衣幅数、伞衣结构透气量和伞绳长度等诸多因素的影响。其中，DRO为阻力面积比为1时的收口绳圈直径。根据文献[1]提供的不同伞型DRO/DO，均值列于表2。

表2 不同伞型的DRO/DOTab.2 DRO/DO of different type parachutes

根据各种伞型风洞试验所得到的关系曲线，可查找到相关数据对收口绳有效长度进行计算。

本文以平面圆形伞为例，对其收口绳有效长度的计算如下：

图11为伞衣幅数（与伞绳数相等）n与DRO/DO比的关系曲线。伞衣充满底边直径选取DRO=0.66DO。

图11 伞衣幅数与DRO/DO比值关系曲线Fig.11 DRO/DOratio vs gore number

伞衣名义直径DO为已知值。根据伞绳数n，由图11查得DRO/DO值。可算出DRO值。

根据选定的阻力面积比[CA]sk/[CA]O，由图12查得Dsk/DRO比值。可算出Dsk值。收口绳圈的长度LSK= DSK。

图12 收口阻力面积比与收口直径比关系曲线Fig.12 Drag area ratio vs reefing diameter ratio

如果先选定收口比Dsk/DO，由图11查得DRO/DO值，算出DRO值，并计算出Dsk/DRO比值。再从图12查得阻力面积比[CA]RO/[CA]O，就可算出收口阻力面积[CA]sk值。

据文献[1]介绍，图11所给的数据已经过试验验证，适用于各类平面圆形伞。

如果收口环安装在伞绳或径向带上，因位置不同，根据几何关系，对收口比会有影响。因为风洞试验是以底边收口为基准，因此应予以修正。降落伞收口绳安装位置，见图13。

图13 降落伞收口绳安装位置示意图Fig.13 Schematic of parachute reefing line installation

5.4 收口环与收口绳受力分析计算

考虑到收口环、收口绳和固定带的设计合理性与结构的可靠性，必须对其受力情况进行分析计算。降落伞收口环与收口绳受力图，见图14。

图14（a）为收口环在垂直剖面的受力图[5]。

图14 降落伞收口环与收口绳受力图Fig.14 Diagram of forces on reefing ring and reefing line of parachute

从图中可见，作用在收口环上的水平方向分力Fskh，按方程式（1）计算：

式中 β为伞绳与中垂线的夹角；φ为径向带作用力方向与垂线的夹角；Fjd为径向带作用在收口环上的水平方向分力。

Fjd按式（2）计算：

式中 Fsh为伞绳作用在收口环上的水平方向分力。

Fsh按式（3）计算：

式中 Fdmax为最大开伞动载。

收口环与收口绳在水平截面的受力图，见图14（b）。从图中可见，作用在收口绳上的张力Tsks，可按式（4）计算：

式中 收口绳与外接圆的切角θ，按式（5）计算：

上述各算式中，伞绳与径向带的载荷可通过开伞动载分析计算获取。夹角参数可以通过几何关系进行计算，但问题在于出现最大开伞动载瞬间，对应的伞衣投影直径不易确定。因此径向带作用力方向与垂直线的夹角φ也难以获得准确数据，只能作粗略估算，取偏大值。今后应设法测到收口绳的实际张力数据。

通常采用的一种收口绳张力Tsks的简化算法，按式（6）估算：

6 多级收口

在重载荷、高动压条件下开伞，为了更加有效的减小开伞过载，采用多级收口方案将会取得良好的效果。国外已有许多重载荷回收的降落伞采用了多级收口技术，如“阿波罗”地球着陆系统（ELS）、“猎户座”载人飞船（Orion）、航天飞机固体火箭助推器（SRB）、K-1运载火箭、“战神 ”I运载火箭和X-38国际空间站太空船（CRV）等型号[6-9]。各型号使用的收口级列于表3。

表3 降落伞收口级Tab.3 Parachute reefing stages

从表3中可以看出，主伞最多采用2级收口，而减速伞多达5级。

多级收口与单级收口工作原理完全相同。多级收口只是取用了几组收口装置，各组收口绳长度和延迟解除收口的时间不同而已。解除收口程序，先由收口绳长度短的开始，相隔一段时间，再解除下一级收口，使伞衣依次展开。通过控制伞衣阻力面积的逐渐展开，达到降低开伞动载的目的。

20世纪70年代，国内研制的“曙光一号”降落伞系统，主伞为3伞系统，也采用过2级收口方案。实施了10次空投试验，并获得成功。“曙光一号”主伞采用2级收口的特点是：2道收口绳并排穿过1个共同的收口环。安装方式见图15。

图15 “曙光一号”主伞2级收口安装示意图Fig.15 Schematic of installation of Shuguang-1 main parachute two-stage reefing

“阿波罗”号主伞的2级收口，是采用双孔收口环，安装方式见图16。

图16 “阿波罗”主伞2级收口安装示意图Fig.16 Schematic of installation of Apollo main parachute two-stage reefing

“战神”I和SRB的主伞，是采用2组收口环，2道收口绳分别穿过各自的收口环。

“战神”I运载火箭属于重载荷回收。减速伞名义面积为337 m2，包装质量达568kg。因此采用多级收口，对降低开伞动载和减小结构质量，是行之有效的技术措施。该减速伞是采用3级收口，每道收口绳是并排分别穿过各自的收口环，连接方式见图17。

图17 “战神”I减速伞3级收口Fig.17 AresⅠdrogue parachute three-stage reefing

图18 X-38减速伞5级收口Fig.18 X-38 drogue parachute five-stage reefing

X-38的主伞为翼伞。由于翼伞开伞速度受到很大限制（X-38主伞的开伞速度大约30m/s），所以必须增大减速伞的阻力面积。X-38减速伞的名义面积为730 m2。伞衣面积如此之大，采用多级收口，对降低开伞动载和减小结构质量，必将取得显著的效果。此外，X-38减速伞开伞动压并不大（约3 640Pa），所以更适宜采用多级收口。该减速伞采用了5级收口，其收口环布局安排、安装固定以及收口绳连接方式见图18。

7 关键技术

7.1 收口环固定的牢固性

收口环传递给固定带的作用力是以高频撕拉形式呈现，很容易造成固定带的缝线剥离和收口环脱落，致使整个收口装置失效。因此，当收口绳受载情况下，固定带的横向应采用夹箍带缝固。

7.2 切割器击发装置工作可靠性

根据以往的经验教训，切割器击发装置工作可靠性非常关键。在拉动切割器瞬间，其过载竟达数百个g。包伞过程，切割器通常是以接近水平状态摆放，牵动切割器的是横向拉力。图19（a）为HGQ1-01A击发装置，其爪帽为球面形接口，能够转动，当轴向力达到额定值时，就可释放击发支耳。图19（b）为“水星与双子星”座击发装置，这种结构形式，拔销很容易被折断，因而导致切割器工作失效。“水星与双子星”座击发装置的拔销材料选用是个关键，该型号的材料是选用聚四氟乙烯。“阿波罗”击发装置的设计方案，见图19（c），采用了较粗的拔销，这样就不容易被折断，其缺点是在90°方向的作用力难以拔出击发支耳。SRB击发装置的设计方案，见图19（d），击发支耳径向表面设计为旋转面，而且击发支耳与“Z”字形阻铁之间用金属索连接，因此能在大角度情况下，可靠地拉动击发装置。

图19 各种典型击发装置Fig.19 Different typical initiation mechanism

7.3 切割器延期时间精度

收口绳切割器延时误差是影响多伞系统异步开伞的主要因素。异步开伞导致各伞开伞动载分配的严重不均，增加了降落伞系统的结构质量，降低了多伞系统工作可靠性。因此采用多伞系统方案，应尽可能提高收口绳切割器延时的精度。

8 结束语

降落伞的收口技术对减小开伞动载起到显著的作用，现已获得广泛使用。收口装置已成为回收降落伞系统的主要组成部分。虽然多级收口可以获得降低开伞动载的更好效果，但由于采用多级收口，增加了单点失效环节，对可靠性不利，因此在降落伞系统方案设计时，必须全面权衡利弊，不宜片面追求单一指标的先进性。目前主伞最多采用2级收口，重载荷回收的减速伞，最多采用5级收口。

收口技术能否用于超声速开伞情况，虽然研究人员对此进行过研究，但目前尚未见到有成功的应用范例，其关键技术在于零部件安装固定的牢度和工作的可靠性。由于担心松口装置工作不可靠，所以通常避免采用收口装置，而尽可能采用多级降落伞系统。

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