CN104354868B - 一种用于球面开缝降落伞的结构设计方法 - 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球面开缝降落伞及其结构设计方法。本发明中，伞衣为成形幅密实织物伞型，伞衣结构形状呈210°球面形，于半球球面处底边延伸了15°，在张满状态下，伞衣形状趋近于半球形。为提高稳定性，伞衣最大直径处设置宽缝，以达到一定结构透气量。本发明具有阻力系数高、稳定性强、伞衣应力分布均匀、开伞动载小、抗颤振性强的优点，克服了现有背景的技术缺陷，是一种优越的超音速低密度降落伞。

Description

一种用于球面开缝降落伞的结构设计方法

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球面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。

超音速条件下，盘缝带伞同其他密实织物伞型一样，面临伞衣的“呼吸”、颤振等问题，会对伞衣底边造成结构破坏、烧蚀。

发明内容

本发明的目的是要解决现有背景技术的伞衣应力分布不均匀、阻力系数低、抗颤振性能差等问题，为解决上述问题，本发明采用成形幅密实织物伞衣，设置宽缝达到一定结构透气量，从而实现阻力系数高、稳定性强，具有抗颤振性的超音速低密度伞。

根据本发明的技术方案包括：

根据本发明的一个方面，其提供了一种球面开缝降落伞，包括伞衣和伞绳，其中，伞衣整体上为中心角为210°的球面，伞衣分为上、中、下三部分，上部为盘，下部为带，中间部分为宽缝，其中，宽缝将盘和带隔开，并且宽缝的下边缘处于球面最大直径处；盘的顶部具有顶孔；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下边缘的多个径向带；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。

根据本发明的另一方面，其提供了一种用于如前所述的球面开缝降落伞的结构设计方法，包括

(1)名义面积A₀根据下面的公式确定：

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

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)名义直径D₀根据下面的公式确定:

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

(3)投影直径D_p等于球面直径D_c，根据下面的公式确定：

(4)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；

(5)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＝2D₀；

(6)顶孔直径根据下面的公式确定：

D_v＝(0.005～0.01)D₀；

(7)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅高度计算公式为：

$h_s=\frac{D_C}{2}(105\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

缝宽H_g取值范围如下：

$H_g=\frac{1}{10}{h}_s~\frac{1}{7}{h}_s;$

缝下边缘的宽度e_s,max为球面最大直径，计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

缝上边缘的宽度e_s,g的计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

带宽H_b取值为：

$H_b=\frac{D_C}{2}(15\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

带底边宽度e_s,b取值为：

其中，N为伞衣幅数；

顶孔高度h_v为：

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

顶孔边长l_v计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

以顶孔中心为原点，设伞衣幅两侧的侧边缘上某一点的坐标为x,y，其中，y轴沿着伞衣的纵向指向伞衣底边，横向坐标尺寸x的计算公式为：

其中，y的取值范围为自顶孔中心至带的下边缘。

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％。

本发明的积极效果：

1、本发明属于成形幅伞，具有设计合理的伞衣幅形状，充满时伞衣织物受力均匀，并能得到最小的织物应力，开伞动载小，避免了开伞时伞衣顶部首先遭到破坏的情况。

2、与背景技术的平面型顶部结构相比，本发明充满后的投影面积更大，会产生更大的阻力，获得较高的阻力系数。

3、在超音速条件下工作时，平面型伞衣张满的直径比亚音速情况下要小，平面型或柱面型伞衣底边材料冗余，引起较高的颤动。本发明经过幅形的改变，伞型张满后的伞衣底边长度更接近于工作有效长度，减弱颤振效应，更适合超音速条件开伞工况。

附图说明

图1为本发明的球面开缝降落伞的结构简图；

图2为本发明的球面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球面开缝降落伞及其结构设计方法做进一步详细的说明。

根据本发明的球面开缝降落伞包括伞衣和伞绳两部分，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，伞衣的盘11、带13中间部分为宽缝12，将盘11和带13分隔开。

盘11为球面密实织物，其顶部开有顶孔，而带13为球面截锥，与盘面处于一个球面上，其下端与伞绳连接。

伞衣整体上为中心角为210°的球面，即自半球球面底边向下又延伸了15°。在张满状态下，伞衣形状趋近于半球形，在超音速条件下张满后应力分布相对均匀。

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，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。

径向带在伞衣织物面上呈辐射状从顶孔边延伸至带的底边(或称为下边缘)，与伞绳相连，其数量与伞绳数量相同。

两根纬向带分别位于盘的下边缘和带的上边缘，沿织物周向形成闭合环；顶孔加强带和底边加强带分别位于顶孔边缘和带的下边缘，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110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。

为适应超音速低密度开伞条件，需要在密实织物伞型的基础上，在伞衣中下部适当地开缝，提高其稳定性。本发明在球面的最大直径处开有宽缝，分离流经伞衣的气流，使伞衣上的压力分布较均匀，提高稳定性。

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：

a)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:

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

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；

b)名义直径:

伞衣的名义直径为：

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

c)投影直径

投影直径D_p等于球面直径D_c，计算公式为：

d)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；

对于大型降落伞产品，伞衣幅数最好为4或8的倍数。

e)伞绳数量与长度

伞绳数量与伞衣幅数相等。

伞绳长度计算公式为：

L_l＝2D₀；

f)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；

在顶孔中设置有顶孔绳的情况下，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％。

顶孔绳长度的计算公式为：

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。

g)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅高度的计算公式为：

$h_s=\frac{D_C}{2}(105\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

缝宽H_g取值为：

$H_g=\frac{1}{10}{h}_s~\frac{1}{7}{h}_s;$

缝下缘的宽度e_s,max为球面最大直径，计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

缝上缘的宽度e_s,g计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

带宽H_b取值为：

$H_b=\frac{D_C}{2}(15\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

带底边宽度e_s,b取值为：

其中，N为伞衣幅数；

顶孔高度h_v为：

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

顶孔边长l_v计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

以顶孔中心为原点，设伞衣幅两侧的侧边缘上某一点的坐标为x,y，其中，y轴沿着伞衣的纵向指向伞衣底边，横向坐标尺寸x的计算公式为：

其中，y的取值范围为自顶孔中心至带的下边缘。

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 (2)

1.一种用于球面开缝降落伞的结构设计方法，所述球面开缝降落伞包括伞衣(1)和伞绳(2)；伞衣(1)整体上为中心角为210°的球面，伞衣(1)分为上、中、下三部分，上部为盘(11)，下部为带(13)，中间部分为宽缝(12)，其中，宽缝(12)将盘(11)和带(13)隔开，并且宽缝(12)的下边缘处于球面最大直径处；盘(11)的顶部具有顶孔；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下边缘的多个径向带(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；

其特征在于，球面开缝降落伞的结构设计方法步骤如下：

(1)名义面积A₀根据下面的公式确定：

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

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)名义直径D₀根据下面的公式确定:

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

(3)投影直径D_p等于球面直径D_c，根据下面的公式确定：

(4)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；

(5)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＝2D₀；

(6)顶孔直径根据下面的公式确定：

D_v＝(0.005～0.01)D₀；

(7)伞衣幅基本结构尺寸

伞衣幅高度计算公式为：

$h_s=\frac{D_C}{2}(105\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

缝宽H_g取值范围如下：

$H_g=\frac{1}{10}{h}_s~\frac{1}{7}{h}_s;$

缝下边缘的宽度e_s,max为球面最大直径，计算公式为：

其中，N为伞衣幅数；

缝上边缘的宽度e_s,g的计算公式为：

$e_{s,g}=\frac{{\mathrm{\πD}}_{C}cos\left(\frac{2H_g}{D_C}\right)}{N},$ 其中，N为伞衣幅数；

带宽H_b取值为：

$H_b=\frac{D_C}{2}(15\×\frac{\mathrm{\π}}{180});$

带底边宽度e_s,b取值为：

其中，N为伞衣幅数；

顶孔高度h_v为：

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

顶孔边长l_v计算公式为：

$l_v=\frac{{\mathrm{\πD}}_{C}sin\left(\frac{2h_v}{D_C}\right)}{N},$ 其中，N为伞衣幅数；

以顶孔中心为原点，设伞衣幅两侧的侧边缘上某一点的坐标为x,y，其中，y轴沿着伞衣的纵向指向伞衣底边，横向坐标尺寸x的计算公式为：

其中，y的取值范围为自顶孔中心至带的下边缘。

2.根据权利要求1所述的球面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％。