伞兵轨迹测量与过载预测方法研究*

吉　宁　惠广裕

(中国飞行试验研究院　西安　710089)



伞兵轨迹测量与过载预测方法研究*

吉宁惠广裕

(中国飞行试验研究院西安710089)

摘要论文在分析伞兵降落过程中自由坠落阶段和充气阶段运动的基础上,提出了一种伞兵轨迹测量与过载预测的方法。飞行试验结果表明该方法对于伞兵轨迹的测量与过载的预测满足工程测量的精度要求。这种方法不受空投高度、天气等条件的限制,操作简单,成本低。可用于空降试飞或其他领域内的轨迹测量。

关键词伞兵降落; 轨迹; 开伞动载; 测量; 预测

Class NumberV221

1引言

运输机实施伞兵空投时,空降伞兵跳离机体后,降落伞从打开伞包到稳定下降过程包括四个阶段:离开机体到打开伞包的自由坠落阶段,从伞包内拉出主伞到伞衣、伞绳全长拉直的拉直阶段,伞衣、伞绳全长拉直到伞衣全部充满的充气阶段和伞衣充满到稳定下降的稳降阶段[1～4]。

自由坠落阶段内,人-伞系统与飞机的相对位置,人-伞系统之间的相对位置直接影响飞行安全;充气阶段内作用于人体上的动载荷直接影响伞兵安全从而影响部队战斗力的形成。因此,空降系统试飞中验证飞机的空降能力和空降系统的功能和性能时,测量自由坠落阶段内人-伞系统的轨迹及充气阶段作用于人体上的动载至关重要[5～9]。

目前,多采用直接在空投假人上安装过载传感器来实现动载测量,而对于人-伞系统轨迹的测量主要有视频拍摄、光电经纬仪测试和GPS测试等[10～11]。实际试飞中,这些方法或是因为测量范围小、或是配试资源多、或是受天气和高度因素等条件限制而影响经费开支以及试飞周期。

2伞兵运动分析

2.1自由坠落阶段

假设自由坠落阶段内人-伞系统视为集中在人-伞系统重心处的一个质点,质点作平面运动;不考虑风速的影响;系统阻力特征为常数;不考虑升力。航迹坐标下,人-伞系统受力分析如图1所示[1]。

图1　人-伞系统受力分析

人-伞系统轨迹方程如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中,θ为伞兵的姿态角即速度与水平方向的夹角;v为伞兵运动速度;(CA)xt为系统阻力特性。

2.2充气阶段

对于充气过程中的轨迹和开伞动载的计算均属于半经验半理论的方法,本文使用充气距离法分析人-伞运动轨迹,假设人和降落伞的运动为双质点运动,人的质量mr集中在重心处,伞的质量ms集中于伞衣底部中心;不考虑风速的影响及假人-伞系统的升力,假人-伞系统做平面运动;忽略降落伞系统弹性的影响,人-伞二者之间相对位置保持不变。那么在航迹坐标下,人-伞的受力如图2所示[1]。

图2　人-伞系统受力分析

dvds= -mr+msmr+ms+mfgsinθ-12ρv2(CA)r+(CA)mr+ms+mfæèç

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

开伞过载:

(10)

式(5)～式(10)中,mr为人的质量;ms为伞的质量;mf为附加质量;(CA)r为人的阻力特性;(CA)伞的阻力特性;θ为伞兵的姿态角;v为伞兵运动速度。

3测量方案

式(1)～式(10)表明,伞兵轨迹可由伞兵姿态与伞兵运动速度计算获得。姿态可以通过加装姿态传感器测量计算获得,问题的关键是人-伞的速度测量。

图3　人-伞系统轨迹

当Δt→0时,人-伞系统从i点到(i+1)点的长度Li(i+1)→0,假设Δt内人-伞系统从i点匀加速直线运动到(i+1)点,加速度为(aix,aiy),那么:

vi+1=vi+aiΔt

(11)

人-伞系统从i点到(i+1)的运动轨迹在x,y方向的增量分别为

(12)

人-伞系统运动轨迹为

(13)

式(11)～式(13)表明,测量得人-伞系统加速度后,通过计算可获得人-伞系统运动的n个离散点的轨迹坐标,拟合n个离散点的轨迹坐标可获得系统的轨迹。求解式(1)～式(11)可获得自由坠落阶段与充气阶段运动轨迹及运动过载。为降低计算误差,根据测试系统的采样率确定Δt的大小(采样周期的整数倍)进行轨迹划分。

4试飞验证

载机按照预定航线到达指定空域后,保持飞行高度1004m,速度310km/h,试飞工程师开启测试系统后,投放假人模拟伞兵空降。试验用第5%百分位假人,体重80kg。假人出舱时,速度v0=1.79m/s,姿态角θ0=32.7°。试飞中,全程测量并记录假人姿态与加速度,伴飞飞机测量假人轨迹。

试验测试采样周期为0.002s,选取Δt=0.02s,求解式(12)～式(4)获得假人空降轨迹及过载。假人离舱2s内计算轨迹与实测轨迹如图4所示;计算过载与实测过载如图5所示。

图4　计算轨迹与实测轨迹

(a) 计算过载

(b) 实测过载图5　计算过载与实测过载

计算结果表明,计算轨迹最大相对误差为0.1m。试验用的第5%百分位假人身高1.68m,相对误差可接受。在伞衣充满阶段实测值最大过载为8.5g计算值为8.2g,最大相对误差误差3.5%,误差满足GJB1850-93中4.2.2.2对于伞兵空降过载测量的要求。误差产生的原因主要包括测量本身的误差以及计算模型简化引入的误差。

5结语

本文提出的伞兵轨迹测量与开伞过载预测方法不受空投过程中飞机的飞行高度、天气条件等诸多因素的制约,测量精度满足工程精度要求。该方法操作简单,成本低,能有效降低试飞成本、减少配试资源及缩小试飞周期。该方法可以指导空降试验点的选取,为确定空降包线提供参考依据,指导伞兵空降损伤预判及耐受分析。

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Paratrooper Track Measurement Method and Estimation of Overload

JI NingHUI Guangyu

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an710089)

AbstractBased on the analysis during free fall parachutist’s landing stage and inflatable foundation phase of the campaign, a paratrooper track measurement method and estimation of overload are proposed. Flight test results show that the method for paratrooper track measurement and the prediction of overload meet the accuracy requirements of engineering survey. This method is not restricted by drop height, weather and other conditions, whose operation is simple and cost is low. It can be used for flight test for drop by parachute or other areas of track measurement.

Key Wordsparatroopers landed, track, overload of parachute, measurement, estimation

* 收稿日期:2015年11月8日,修回日期:2015年12月24日

作者简介:吉宁,女,硕士,工程师,研究方向:飞机环境控制、个体防护系统与空运、空投空降系统试飞技术。惠广裕,男,硕士研究生,工程师,研究方向:飞行试验光电测试技术。

中图分类号V221

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.006