空投声呐浮标降落伞的设计与仿真计算

来杭生

（中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

声呐浮标是一种检测水下目标的声呐器材，主要由飞机在高空中以一定的初速度向下投放，因此需要一个减速降落装置来保证浮标在入水时的速度，防止浮标入水速度太快而损坏内部的元器件。降落伞由织物制成，质地柔软，充满后可以获得比原来折叠状态大好几十倍到几百倍的阻力面，可以大大降低物体在空气中的运动速度。降落伞还能在物体的运动过程中起稳定作用，保证浮标入水时一定的角度。本文对常见降落伞进行了研究分析，通过对气动特性的对比，以及浮标入水时的速度要求，得出降落伞的具体结构形状及尺寸。通过试验验证降落伞的稳定性。

1 降落伞设计

1.1 伞形设计

降落伞的形状是其在未充气时的结构形状来分类的，不同结构形状的降落伞在工作过程中具有不同的气动特性。

(1)方形伞

方形伞衣结构为切去四角的平面方形，由数幅织物锁缝而成，如图1所示。伞衣上缝有加强带，以加强伞衣的强度及限制织物可能撕破的范围。方形伞的结构较为简单，材料利用率高，但其开伞过程中伞衣各部分错位较为严重，易造成伞衣与伞绳、伞衣与伞衣抽打损伤，受力不均时易产生局部破损。静稳定的迎角范围为±20°。

图1 方形伞衣平面示意图

(2)圆形伞

圆形伞在俯视图中为一圆形，其结构对称，工作可靠，开伞时受力较均匀，多数传统降落伞以圆形伞作为基本结构。圆形伞包括平面圆形伞、底边延伸型伞和成形幅伞。平面圆形伞由合顶角为360°的等腰梯形组成，如图2所示。相邻梯形的腰相互缝合，伞绳沿径向穿过缝合部间隙，穿过伞衣的伞绳长度比伞衣缝合部稍短。顶孔的直径通常为伞衣直径的5%～15%。其阻力系数一般为0.75～0.80，静稳定迎角范围为±10°～40°。

图2 圆形伞衣平面示意图

平面圆形伞伞衣在充满时受力不均，其顶部受力最大，易被破坏。

(3)带条伞

带条伞伞衣由同心带条组成，如图2-3所示，由平行于底边的水平带条和垂直于底边的垂直带条所组成。一般带条伞的阻力系数为0.45～0.50，且随结构透气量的变化而变化。带条伞的稳定性非常好，其静稳定迎角范围为0～±3°，常用于高速大负载的减速伞。但是其工艺性要求非常高，必须保证良好的对称性，稍不对称的情况下，伞衣就易产生转动。

图3 带条伞衣平面示意图

(4）旋转伞

旋转伞伞衣形状具有中心对称，在充满时，伞衣上具有方向一致的排气口。旋转伞从空中下降时，气流主要通过伞衣上方向一致的排气口排出，排出的气体所产生的作用力矩使伞衣绕中心轴旋转。旋转伞下降时的高速旋转使物伞系统具有良好的稳定性，主要用于弹射座椅稳定伞、炸弹减速伞、空投重物的稳定伞等。旋转伞较一般降落伞而言，具有较高的稳定性，但缺点是工艺性复杂、加工要求较高，且在伞与物之间需要转子过渡。

(5）十字形伞

十字形伞的结构呈十字形，由两个相同矩形织物面成直角相交连接，形成一个具有四个相同侧福的平表面，如图4所示。影响十字形伞气动性能的主要参数是它的臂长比，即组成十字形伞的矩形织物的长宽比。臂长比大于3的十字形伞较为稳定，静稳定迎角范围为0°～±3°。十字形伞具有稳定性好、材料利用率高、制造工艺简单等优点，应用于阻力伞、航弹伞、投物伞等。但是十字形伞较易旋转，加工时要控制其对称性。

图4 十字形伞衣平面示意图

本文所设计的降落伞用于空投声呐浮标使用，浮标在入水时要尽量垂直于水平面，即静稳定迎角要尽量小，同时浮标中无法装入体积较大的伞衣，伞衣的结构要尽量简单，易于制造，因此选择十字形伞作为浮标的降落伞。

1.2 伞衣及伞绳设计

降落伞主要由伞衣和12根伞绳组成，伞衣的形状如图4所示，按降落伞各边长均为W进行计算，降落伞面积S伞衣=5W2。

浮标降落过程中，伞衣充满呈半球形，如图所示。

图5 降落伞展开示意图

其中d为浮标直径，D为降落伞投影直径，L为降落伞伞绳实际长度，Lsh为降落伞伞绳名义长度，满足如下等式：

其中

D0为十字降落伞矩形织物的长度；

ξ和η为常数，根据伞形确定；

伞绳一般采用高强度材料，在浮标刚离机时，降落伞伞绳需承受的过载冲击满足如下等式：

其中

ρ为海平面空气密度，

v为浮标刚离机时的速度，

CD为降落伞空气阻力系数，

S0为降落伞充气后的投影面积。

2 声呐浮标下降过程仿真分析

声呐浮标在飞机上被投下后，降落伞的过程主要分为拉直、充气和稳定三个阶段。

降落伞拉直阶段指降落伞从伞袋中被带出的过程，浮标在此过程中主要分为水平运动、竖直运动和绕质心旋转运动；降落伞充气阶段指降落伞从伞袋中拉出到伞衣完全充满成半球形的整个过程，该过程时间非常短；降落伞稳定阶段指降落伞伞衣充满后稳定减速下降至匀速下降的过程。

图6 浮标空中示意图

以浮标重心位置为原点飞机飞行方向为x轴，指向地心为y轴，z轴满足右手法则，建立坐标系，如图所示。

浮标空中运动模型可用如下方程组表示：

其中：

v为声呐浮标空中运动速度；

θ为声呐浮标速度与飞机飞行速度之间的夹角；

h为浮标下降高度；

g为重力加速度；

Cd为降落伞阻力系数；

S为降落伞阻力面积；

ρ为空气密度，一般为1.225kg/m3；

m为浮标质量。

按照浮标重量16kg，在300m空投高度、飞机平飞速度为550km/h时，浮标在空中运动速度与下降高度变化曲线、倾角与下降高度变化曲线及下降高度与时间变化曲线如图7、图8、图9所示。

图7 浮标速度随高度变化曲线图

图8 浮标角度随高度变化曲线图

图9 浮标下降高度随时间变化曲线图

从仿真结果可以看出，飞机在投放浮标约14.5s后入水，入水速度在24.7m/s，浮标入水角度约为89.5°，基本以垂直姿态入水。

3 结论

本文通过对常见降落伞的对比，选择了十字形伞作为浮标投放用的降落伞，其具有体积小，制作工艺简单，工作稳定等优点。按照浮标投放时飞机平飞速度550km/h，投放高度300m进行计算，浮标离机约14.5s后入水，速度约24.7m/s，入水角度约89.5°，基本以垂直姿态入水，所设计的降落伞基本满足使用要求。