CN104276288A - 一种复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于超音速低密度开伞环境的复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法。本发明的降落伞包括伞衣和伞绳两大部分，伞衣织物面由复合式锥形上部和圆柱形伞衣底部构成，中间由宽缝将二者垂直分开。复合式锥形上部包括顶锥、中锥和底锥。本发明具有阻力系数高、稳定性强的优点，克服了现有背景技术的缺陷，是一种优越的超音速低密度降落伞。

Description

一种复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法

技术领域

本发明属于航天进入、减速与着陆(EDL)技术领域，具体地，涉及一种应用于超音速低密度开伞环境的复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法。

背景技术

随着深空探测技术的迅速发展，针对具有稀薄大气行星(例如火星)的EDL技术已成为研究热点和难点，这其中，超音速低密度降落伞减速技术是一项核心技术。截止目前，适用于超音速低密度开伞环境下的降落伞伞型包括盘缝带伞、改进的环帆伞、十字伞等。十字型伞虽然具有最大的单位阻力面积，但是，随着开伞速度的增大，十字型伞会出现较大的振动，稳定性较差；在超音速、低动压条件下改进环帆伞的开伞充气性能、阻力性能比盘缝带伞较差。盘缝带伞是工程实际中应用最广泛的超音速低密度降落伞伞型。

目前，盘缝带伞按照结构形式分为Viking型、MPF型两种伞型，二者伞衣的盘带面积比不同，减速性能也有显著不同：Viking型盘缝带伞的盘带面积比约为53:35，阻力系数较高(≈0.67)，稳定性偏弱；MPF型盘缝带伞的盘带面积比约为38:52，阻力系数较小(≈0.43)，稳定性较好。但是，这两种伞型的阻力系数较低、稳定性较弱，因此，有必要在阻力性能和稳定性方面做出改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术中的不足，提供一种复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

根据本发明的一个方面，其提供了一种复合式锥形开缝降落伞，包括伞衣和伞绳，其中，伞衣分为上、中、下三部分，上部为盘，盘的顶部具有顶孔，盘为复合式锥形结构，包括顶锥、中锥和底锥，顶锥、中锥和底锥依次首尾拼接；下部为带，带在平面展开状态下为矩形结构；中间部分为宽缝，其将盘和带垂直隔开；盘顶部的顶孔沿其周向边缘设置有顶孔加强带；盘的下边缘和带的上边缘分别具有沿其周向延伸的纬向带；带的下边缘具有底边加强带；伞衣上具有呈辐射状从顶孔沿盘和带延伸至带底部的多个径向带；伞绳的数量与伞衣上的径向带的数量相同，并且，每根伞绳的一端连接至径向带，多根伞绳的另一端汇交于一点，连接至待吊物体。

进一步地，伞衣由多个伞衣幅拼缝而成，伞衣上的径向带设置在相邻两个伞衣幅之间。

进一步地，顶孔中设置有沿其径向布置的顶孔绳；并且每根伞绳的一端连接至相应的径向带的底端，或者沿着相应的径向带延伸至顶孔加强带。

进一步地，每两根关于顶孔中心对称的伞绳沿着相应的径向带连续跨顶孔一体化连接。

根据本发明的另一个方面，其提供了一种用于如前所述的复合式锥形开缝降落伞的结构设计方法，包括：

(1)伞衣的名义面积A₀根据下面的公式确定：

$A_0=\frac{\mathrm{CA}}{C_d};$

上式中，CA为阻力面积，其中，mg为待吊物体的重量，υ为待吊物体的着陆速度，ρ为大气密度；C_d为阻力系数，参照具有相同的盘带面积比的盘缝带伞的阻力系数；

(2)伞衣的名义直径D₀根据下面的公式确定:

$D_0=\sqrt{\frac{{4A}_0}{\mathrm{\π}}};$

(3)伞衣幅数N根据下面的公式确定：N＝4D₀+(7～8)，其中，N取大于5的偶数；

(4)伞绳数量与伞衣幅数相等，伞绳的长度L_l根据下面的公式确定：L_l＝1.7D₀；

(5)顶孔直径根据下面的公式确定：

D_v＝(0.005～0.01)D₀；

(6)锥角的确定

设定伞衣上部的顶锥角μ₁、中锥角μ₂、底锥角μ₃；

(7)锥面比

设定伞衣的顶锥、中锥、底锥的锥面比为S₁:S₂:S₃；

(8)面积比

设定伞衣的盘、缝、带的面积比为S_T:S_G:S_B；

(9)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅面积S₀为：

其中，N为伞衣幅数；

伞衣幅中盘的面积为：

S_T0＝S_T％×S₀；

伞衣幅中缝的面积为：

S_G0＝S_G％×S₀；

伞衣幅中带的面积为：

S_B0＝S_B％×S₀；

伞衣幅的顶锥面积为：

S₁＝S₁％×S_T0；

伞衣幅的中锥面积为：

S₂＝S₂％×S_T0；

伞衣幅的底锥面积为：

S₃＝S₃％×S_T0；

顶锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

顶锥的高度：

$h_1=\sqrt{\frac{S_1}{\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2}}};$

顶锥的底边宽度：

$e_{s1}=2h_1\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2};$

中锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

中锥的高度h₂根据以下公式确定：

$({2e}_{s1}+{2h}_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_2}{2})\×\frac{h_2}{2}=S_2;$

中锥的底边宽度：

$e_{s2}=e_{s1}+{2h}_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_2}{2};$

底锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

底锥的高度h₃根据下面的公式计算：

$({2e}_{s2}+{2h}_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2})\×\frac{h_3}{2}=S_3;$

底锥的底边宽度：

$e_{s3}=e_{s2}+{2h}_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2};$

顶孔的高度：

$h_v=\frac{1}{2}{D}_v;$

顶孔的边长：

其中，N为伞衣幅数；

缝宽：

$H_G=\frac{S_{G0}}{e_{s3}};$

带宽：

$H_B=\frac{S_{B0}}{e_{s3}}.$

进一步地，在顶孔中具有顶孔绳的情况下，顶孔绳的长度根据以下公式确定：L_v＝(1-ΔL_v)D_V，其中，ΔL_v≤5％。

与现有技术相比，根据本发明的复合式锥形开缝降落伞及其结构设计方法的积极效果包括：

1、本发明采用复合式锥形伞衣，具有最佳的阻力性能，可产生更高的阻力系数。

2、与背景技术的平面型伞衣上部结构相比，本发明的复合式锥形伞衣，具有更好的稳定性，摆动角更小。

附图说明

图1为本发明的复合式锥形开缝降落伞的结构简图；

图2为本发明的复合式锥形开缝降落伞的伞衣幅结构简图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的复合式锥形开缝降落伞及其结构设计做进一步详细的说明。

根据本发明的复合式锥形开缝降落伞包括伞衣1和伞绳2两部分，其结构如图1所示。

伞衣1分为上、中、下三部分：其上部为盘11、下部为带13，均为密实织物；中间部分为宽缝12，将盘11和带13垂直隔开。盘为复合式锥形密实织物，包括顶锥、中锥和底锥，顶锥、中锥和底锥依次首尾拼接。盘的顶部开有顶孔。带13为在平面展开状态下为矩形结构织物，其底边与伞绳连接。

伞衣由若干伞衣幅拼缝而成，伞衣幅的结构如图2所示。伞衣的构件除了伞衣织物外，还包括：径向带17、纬向带15、顶孔加强带14和底边加强带16，共同形成了织物面上的气动载荷承力框架。

径向带17在伞衣织物面上呈辐射状从顶孔边缘延伸至伞衣底边，与伞绳相连，其数量与伞绳数量相同。

两根纬向带15分别位于盘的下边缘和带的上边缘，二者分别沿盘和带的织物周向形成闭合环。顶孔加强带14和底边加强带16分别位于顶孔边缘和带的底边，二者分别沿织物周向形成闭合环。

伞绳的一端与径向带连接，另一端汇交于一点，与待吊物体连接。伞绳的一端与径向带的连接方式包括三种情况：(1)每根伞绳的一端连接至相应的径向带17的底端；(2)每根伞绳的一端沿着相应的径向带17延伸至顶孔加强带14；(3)每两根关于顶孔中心对称的伞绳2、2沿着相应的径向带17连续跨顶孔一体化连接。其中，在前两种情况下，通常在顶孔中沿其径向布置有多跟顶孔绳。而在第三种情况下，由于伞绳跨过顶孔一体地连接，因此不需要另外设置顶孔绳。

采用本发明进行降落伞产品设计，需要通过结构设计，确定名义面积、名义直径、伞衣幅数、伞绳数量与长度、顶孔直径与顶孔绳长度以及伞衣幅基本结构尺寸等参数，给出伞型的完整结构信息。其结构设计方法如下：

(1)伞衣的名义面积：

伞衣的名义面积由阻力面积与阻力系数确定:

$A_0=\frac{\mathrm{CA}}{C_d};$

其中：CA为阻力面积，其中，mg为待吊物体的重量，υ为待吊物体的着陆速度，ρ为大气密度；C_d为阻力系数，参照具有相同的盘带面积比的盘缝带伞的阻力系数。

(2)伞衣的名义直径:

伞衣的名义直径为：

$D_0=\sqrt{\frac{{4A}_0}{\mathrm{\π}}};$

(3)伞衣幅数

伞衣幅数量的计算公式为：

N＝4D₀+(7～8)，其中，N取大于5的偶数；伞衣幅数量应为偶数。

对于大型降落伞产品，伞衣幅数最好为4或8的倍数。

(4)伞绳数量与长度

伞绳数量与伞衣幅数相等。

伞绳长度的计算公式为：

L_l＝1.7D₀；

(5)顶孔直径与顶孔绳长度

顶孔直径的计算公式为：

D_v＝(0.005～0.01)D₀；

对于顶孔中设置有顶孔绳的情况，顶孔绳长度应与顶孔直径相等，但为保持伞衣有一定的张满度，需要将顶孔绳长度缩短一些。一般情况下，顶孔绳缩短率ΔL_v不大于5％。

顶孔绳长度计算公式为：

L_v＝(1-ΔL_v)D_V；

在伞绳连续跨顶孔的情况(即前面提到的第三种情况)下，伞绳在顶孔段的长度也根据上述公式计算。

(6)锥角

复合式锥形伞衣上部的顶锥角、中锥角、底锥角分别为μ₁、μ₂、μ₃，三者可以根据实际情况设定。

(7)锥面比

复合式锥形伞衣的顶锥、中锥、底锥的锥面比为S₁:S₂:S₃，该比值根据实际情况设定即可。

(8)伞衣面积比

伞衣复合式锥形伞衣的盘、缝、带的面积比为S_T:S_G:S_B，同样地，该比值根据实际情况设定即可。

(9)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅面积S₀为：

其中，N为伞衣幅数；

伞衣幅中盘的面积为：

S_T0＝S_T％×S₀；

伞衣幅中缝的面积为：

S_G0＝S_G％×S₀；

伞衣幅中带的面积为：

S_B0＝S_B％×S₀；

伞衣幅的顶锥面积为：

S₁＝S₁％×S_T0；

伞衣幅的中锥面积为：

S₂＝S₂％×S_T0；

伞衣幅的底锥面积为：

S₃＝S₃％×S_T0；

顶锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

顶锥的高度：

$h_1=\sqrt{\frac{S_1}{\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2}}};$

顶锥的底边宽度：

$e_{s1}=2h_1\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2};$

中锥的顶角：

中锥的高度h₂根据以下公式确定：

$({2e}_{s1}+{2h}_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_2}{2})\×\frac{h_2}{2}=S_2;$

中锥的底边宽度：

$e_{s2}=e_{s1}+{2h}_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_2}{2};$

底锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

底锥的高度h₃根据下面的公式计算：

$({2e}_{s2}+{2h}_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2})\×\frac{h_3}{2}=S_3;$

底锥的底边宽度：

$e_{s3}=e_{s2}+{2h}_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2};$

顶孔的高度：

$h_v=\frac{1}{2}{D}_v;$

顶孔的边长：

其中，N为伞衣幅数；

缝宽：

$H_G=\frac{S_{G0}}{e_{s3}};$

带宽：

$H_B=\frac{S_{B0}}{e_{s3}}.$

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种复合式锥形开缝降落伞，其特征在于，包括伞衣(1)和伞绳(2)，其中，

伞衣(1)分为上、中、下三部分，上部为盘(11)，盘(11)的顶部具有顶孔，盘(11)为复合式锥形结构，包括顶锥、中锥和底锥，顶锥、中锥和底锥依次首尾拼接；下部为带(13)，带(13)在平面展开状态下为矩形结构；中间部分为宽缝(12)，其将盘(11)和带(13)垂直隔开；

盘(11)顶部的顶孔沿其周向边缘设置有顶孔加强带(14)；盘(11)的下边缘和带(13)的上边缘分别具有沿其周向延伸的纬向带(15，15)；带(13)的下边缘具有底边加强带(16)；伞衣上具有呈辐射状从顶孔沿盘和带延伸至带底部的多个径向带(17)；

伞绳(2)的数量与伞衣(1)上的径向带(17)的数量相同，并且，每根伞绳的一端连接至径向带(17)，多根伞绳的另一端汇交于一点，连接至待吊物体。

2.根据权利要求1所述的复合式锥形开缝降落伞，其特征在于，伞衣由多个伞衣幅(18)拼缝而成，伞衣上的径向带设置在相邻两个伞衣幅(18)之间。

3.根据权利要求1所述的复合式锥形开缝降落伞，其特征在于，

顶孔中设置有沿其径向布置的顶孔绳；并且

每根伞绳的一端连接至相应的径向带(17)的底端，或者沿着相应的径向带(17)延伸至顶孔加强带(14)。

4.根据权利要求1所述的复合式锥形开缝降落伞，其特征在于，每两根关于顶孔中心对称的伞绳(2，2)沿着相应的径向带(17)连续跨顶孔一体化连接。

5.一种用于如权利要求1所述的复合式锥形开缝降落伞的结构设计方法，其特征在于，

(1)伞衣的名义面积A₀根据下面的公式确定：

$A_0=\frac{\mathrm{CA}}{C_d};$

上式中，CA为阻力面积，其中，mg为待吊物体的重量，υ为待吊物体的着陆速度，ρ为大气密度；C_d为阻力系数，参照具有相同的盘带面积比的盘缝带伞的阻力系数；

(2)伞衣的名义直径D₀根据下面的公式确定:

$D_0=\sqrt{\frac{4A_0}{\mathrm{\π}}};$

(3)伞衣幅数N根据下面的公式确定：N＝4D₀+(7～8)，其中，N取大于5的偶数；

(4)伞绳数量与伞衣幅数相等，伞绳的长度L_l根据下面的公式确定：L_l＝1.7D₀；

(5)顶孔直径根据下面的公式确定：

D_v＝(0.005～0.01)D₀；

(6)锥角的确定

设定伞衣上部的顶锥角μ₁、中锥角μ₂、底锥角μ₃；

(7)锥面比

设定伞衣的顶锥、中锥、底锥的锥面比为S₁:S₂:S₃；

(8)面积比

设定伞衣的盘、缝、带的面积比为S_T:S_G:S_B；

(9)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅面积S₀为：

其中，N为伞衣幅数；

伞衣幅中盘的面积为：

S_T0＝S_T％×S₀；

伞衣幅中缝的面积为：

S_G0＝S_G％×S₀；

伞衣幅中带的面积为：

S_B0＝S_B％×S₀；

伞衣幅的顶锥面积为：

S₁＝S₁％×S_T0；

伞衣幅的中锥面积为：

S₂＝S₂％×S_T0；

伞衣幅的底锥面积为：

S₃＝S₃％×S_T0；

顶锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

顶锥的高度：

$h_1=\sqrt{\frac{S_1}{\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2}}};$

顶锥的底边宽度：

$e_{s1}={2h}_1\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2};$

中锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

中锥的高度h₂根据以下公式确定：

$({2e}_{s1}+2h_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_2}{2})\×\frac{h_2}{2}=S_2;$

中锥的底边宽度：

$e_{s2}=e_{s1}+{2h}_2\tan \frac{{\mathrm{\β}}_1}{2};$

底锥的顶角：

其中，N为伞衣幅数；

底锥的高度h₃根据下面的公式计算：

$({2e}_{s2}+2h_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2})\×\frac{h_3}{2}=S_3;$

底锥的底边宽度：

$e_{s3}=e_{s2}+{2h}_3\tan \frac{{\mathrm{\β}}_3}{2};$

顶孔的高度：

$h_v=\frac{1}{2}{D}_v;$

顶孔的边长：

其中，N为伞衣幅数；

缝宽：

$H_G=\frac{S_{G0}}{e_{s3}};$

带宽：

$H_B=\frac{S_{B0}}{e_{s3}}.$

6.根据权利要求5所述的复合式锥形开缝降落伞的结构设计方法，其特征在于，

在顶孔中具有顶孔绳的情况下，顶孔绳的长度根据以下公式确定：L_v＝(1-ΔL_v)D_V，其中，ΔL_v≤5％。