CN107389261A - 一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法 - Google Patents

一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，该方法首先根据实测降水雨滴谱确定主要雨滴的微特征量；然后根据降落伞稳降过程气动外形不同部位的织物张力和倾斜角度确定不同工况，利用高速摄像技术捕捉不同工况下液滴撞击伞衣全过程，通过后期图像数据处理，获得液滴首次变形至最大扁平状态所需时间和垂直方向速度；再后根据动量定理估算出该工况下雨滴撞击力；最后根据雨滴谱中雨滴面密度和上述不同工况下的撞击力计算出雨滴场对伞衣的外载荷，本发明可以为降落伞优化设计和暴雨环境下开伞失效预防提供依据。

Description

一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法
技术领域
本发明涉及一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，属于航空救生技术领域。
背景技术
降落伞作为重要的减速救生装备，广泛应用于航空、航天和兵器领域。当前降落伞设计或研究主要都是以理想气候条件作为前提，但在一些特殊情况下，如雨天天气救灾空投或整机降落伞救生，将不可避免雨滴撞击降落伞。
雨滴场外载荷作为一种重要的外界环境外载荷，对降落伞气动减速性能影响极大，甚至能够造成回收或空降失败。但是，由于降水的随机性和偶然性，以及现有数据采集技术很难用空投方法获得该载荷。
因此，当前降落伞设计研究和暴雨环境下开伞失效预防急需一种可行方法获得雨滴场外载荷的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，首次利用实测气象信息，设定试验工况，通过高速摄影技术捕捉雨滴撞击细观信息，估算出雨滴场外载荷，进而为恶劣天气下伞降性能评估提供依据，对实际工程应用具有非常重要的参考意义。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，该方法包括以下具体步骤：
步骤一：根据实测降水雨滴谱，确定该降水雨滴的优势直径Dp及其稳降速度vy；
步骤二：根据雨滴稳降速度vy和降落伞稳降速度vs，计算出雨滴撞击伞衣时的相对速度v0＝vy-vs；
步骤三：根据降落伞稳降阶段的半球状气动外形，将伞衣沿纬向划分为N环；
步骤四：利用高速摄像技术采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程；
步骤五：对步骤四中采集到的图像进行处理，获得撞击后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度以及所需时间；
步骤六：根据动量定理估算出液滴对伞衣织物的撞击力，其中，为液滴撞击伞衣第n环时的撞击力，m为液滴质量，为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度，为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状所需时间，n＝1,2,…,N；
步骤七：根据雨滴谱中降水主要雨滴的面密度NA，计算出伞降过程中所受雨滴场的载荷：其中，为伞衣第n环的投影面积。
作为本发明的进一步优化方案，步骤四中利用高速摄像技术采用5000fps帧数采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程。
作为本发明的进一步优化方案，步骤四中利用高速摄像机采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程，采用5000fps帧数拍摄。
作为本发明的进一步优化方案，步骤四中利用NAC型高速摄像机采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程，采用5000fps帧数拍摄。
作为本发明的进一步优化方案，步骤五中采用HotShot SC Link 1.2软件对采集到的图像数据进行处理。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明根据雨滴谱获得某次降水主要雨滴的微特征量，确定实验工况，估算出伞降过程中雨滴场外载荷，从而避免空投实验的偶然性和随机性，此外还可以大大降低实验成本，为工程设计和研究提供参考。
附图说明
图1是伞衣沿纬向划分各环示意图。
图2是工况1液滴首次接触织物图像数据。
图3是工况1液滴首次变形至最大扁平状图像数据。
图4是工况4液滴首次接触织物图像数据。
图5是工况4液滴首次变形至最大扁平状图像数据。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明为了解决获得伞降过程雨滴场外载荷的难题，下面用本发明公开的方法以2010年7月12日南京地区降水(濮江平，张昊，周晓等.对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析.气象科学，2012，32(3):253-259.)为例，估算C9型伞伞降过程中雨滴场外载荷。
步骤一：根据实测降水雨滴谱，确定该降水雨滴的优势直径Dp及其稳降速度vy。
根据文献(濮江平，张昊，周晓等.对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析.气象科学，2012，32(3):253-259.)可知：2010年7月12日04:23-08:33降水较为稳定，根据暴雨标准划分，该次降水为一次暴雨过程。该次降水雨滴优势直径Dp为1.78mm，其稳降速度vy为6.12m/s。
步骤二：根据雨滴稳降速度vy和降落伞稳降速度vs，计算出雨滴撞击伞衣时的相对速度v0＝vy-vs。
根据文献(Calvin K.Lee.Experimental Investigation of Full-scale andModel Parachute Opening.AIAA Report.AIAA-84-0820)可知全尺寸C9型伞稳降速度vs为5m/s。因此，相对撞击速度v0为1.12m/s。
步骤三：根据降落伞稳降阶段的半球状气动外形，将伞衣沿纬向划分为N环。
根据文献(王利荣.降落伞理论与应用.北京:宇航出版社,1997.和Han CHENG,LiYU,Wei RONG,et al.A Numerical Study of Parachute Inflation Based on a MixedMethod.Aviation,2012,16(4):115-123.)，并结合图1所示。本发明中，将C9伞分为N＝6个环，各环水平面倾斜角度θn、织物张力该环的投影面积可参考表1。
表1各环参数
步骤四：利用高速摄像技术采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程。
本发明中，选用NAC型高速摄像机采集捕捉液滴撞击伞衣各环(各工况)时的过程，拍摄时采用5000fps帧数。
步骤五：对步骤四中采集到的图像进行处理，，获得撞击后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度以及所需时间。本发明中，采用HotShot SC Link 1.2软件对采集到的图像数据进行处理。
图2和图3是工况1(n＝1)图像数据，分别为液滴首次接触织物和液滴首次变形至最大扁平状，图4和图5是工况4(n＝4)的图像数据。其余工况图像数据类似，根据6种工况图像数据获得撞击后垂直速度以及所需时间 为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度，为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状所需时间，n＝1,2,…,N，如表2所示。
表2液滴碰撞伞衣织物后垂直向速度及所需时间
步骤六：根据动量定理估算出液滴对伞衣织物的撞击力，其中，为液滴撞击伞衣第n环时的撞击力，m为液滴质量，6种工况撞击力如表3所示。
表3液滴碰撞伞衣织物撞击力
步骤七：根据雨滴谱中降水主要雨滴的面密度NA，计算出伞降过程中所受雨滴场的载荷Fy：其中，为伞衣第n环的投影面积。
根据文献(濮江平，张昊，周晓等.对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析.气象科学，2012，32(3):253-259.)可知：该次降水面密度NA为69.22/m2。将表1和表3中参数代入公式可以获得该次降水过程中，C9伞所受雨滴场外载荷为17.89N。
从具体实施效果来看，本发明可以评估降雨过程中伞衣所受雨滴场外载荷，可以为工程设计和研究提供重要的参考依据
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤一：根据实测降水雨滴谱，确定该降水雨滴的优势直径Dp及其稳降速度vy；
步骤二：根据雨滴稳降速度vy和降落伞稳降速度vs，计算出雨滴撞击伞衣时的相对速度v0＝vy-vs；
步骤三：根据降落伞稳降阶段的半球状气动外形，将伞衣沿纬向划分为N环；
步骤四：利用高速摄像技术采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程；
步骤五：对步骤四中采集到的图像进行处理，获得撞击后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度以及所需时间；
步骤六：根据动量定理估算出液滴对伞衣织物的撞击力，其中，为液滴撞击伞衣第n环时的撞击力，m为液滴质量，为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状时的垂直速度，为撞击伞衣第n环后液滴首次变形至最大扁平状所需时间，n＝1,2,…,N；
步骤七：根据雨滴谱中降水主要雨滴的面密度NA，计算出伞降过程中所受雨滴场的载荷：其中，为伞衣第n环的投影面积。
2.根据权利要求1所述的一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，其特征在于，步骤四中利用高速摄像技术采用5000fps帧数采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程。
3.根据权利要求1所述的一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，其特征在于，步骤四中利用高速摄像机采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程，采用5000fps帧数拍摄。
4.根据权利要求1所述的一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，其特征在于，步骤四中利用NAC型高速摄像机采集捕捉液滴撞击伞衣各环时的过程，采用5000fps帧数拍摄。
5.根据权利要求1所述的一种伞降过程雨滴场外载荷估算方法，其特征在于，步骤五中采用HotShot SC Link 1.2软件对采集到的图像数据进行处理。
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