CN111723485A - 一种降落伞伞衣透气速度获得方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降落伞伞衣透气速度获得方法，综合考虑了降落伞高空飞行过程中的周围气流属性、降落伞飞行速度、以及织物细观结构特点等多种因素，基于多孔介质理论和降落伞工作过程的伞衣压差‑飞行动压方程，可以快速计算得到降落伞高空飞行过程中任意速度‑高度下的伞衣透气速度，从而为进一步降落伞总透气量的计算与降落伞设计提供指导；整个技术方案设计可以不通过织物透气性试验，采用全新设计方案，能够有效提高目标降落伞伞衣透气速度的获得效率。

Description

一种降落伞伞衣透气速度获得方法
技术领域
本发明涉及一种降落伞伞衣透气速度获得方法，属于降落伞伞衣透气性技术领域。
背景技术
降落伞是一种高效的气动减速装置，广泛用于航空救生、空降空投、航天器返回着陆等多种战略任务。理论和实践均表明，降落伞的伞衣充气时间、开伞动载、稳定性以及稳降速度等重要性能都与伞衣透气量有着密不可分的关系。对降落伞而言，伞衣透气量的快速准确计算对其设计过程的意义重大。
降落伞伞衣透气量由织物透气量和结构透气量共同组成，其中结构透气量很容易计算得到，织物透气量由于受到纤维原料、结构加工、环境参数等多因素的综合影响，影响因素复杂。目前伞衣织物的透气性能大多通过试验得到(Rondeau N,Fitek J,Desabrais KJ et al.Investigations of parachute material permeability under an unsteadypressure differential[C].AIAA Aerodynamic Decelerator Systems(ADS)Conference,2013.AIAA 2013-1347.)。由于试验耗时较长、成本较高，因此对于降落伞伞衣透气性的理论预测模型一直是学者关心的热点问题。
当前，对伞衣织物透气性的理论预测模型主要：(1)基于多孔介质理论的Ergun公式来描述织物的动态透气特性，重点考察透气性对流场的拓扑结构影响，(如Gao Z,Charles R D,Li X.Numerical Modeling of Flow through Porous Fabric Surface inParachute Simulation.AIAA Journal,2016,55(2):1-5.)；(2)也有学者在实验的基础上，拟合出透气量随雷诺数的预测公式，一般用于静态织物分析(如Cruz J R,Farrell C O,Hennings E et al.Permeability of two parachute fabrics measurements,modeling,and application[R].NASA/TM-2016-219328,2016.)。
总之，当前的计算预测模型均仅仅着眼于织物本身，且需要进行织物压差试验，不能与降落伞的实际高空飞行计算有机结合，无法直接得到降落伞高空飞行过程中任意速度-高度处的伞衣透气速度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降落伞伞衣透气速度获得方法，采用全新设计方法，能够快速计算得到降落伞高空飞行过程中任意速度-高度下的伞衣透气速度，从而为进一步降落伞总透气量的计算与降落伞设计提供指导。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种降落伞伞衣透气速度获得方法，用于实现目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度的获得，包括如下步骤：
步骤A.根据目标降落伞的伞衣厚度δ、以及伞衣织物孔隙率ε，获得目标降落伞的透气特征尺寸D，然后进入步骤B；
步骤B.根据目标降落伞的伞衣织物孔隙率ε、以及透气特征尺寸D，获得目标降落伞所对应的伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，然后进入步骤C；
步骤C.根据目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、以及空气动力粘度μ，结合目标降落伞所对应的伞衣厚度δ、伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，以及目标飞行速度v，按如下透气速度模型：
Figure BDA0002549859300000021
获得目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度vq。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，根据目标降落伞的伞衣厚度δ、以及伞衣织物孔隙率ε，按如下公式：
D＝6(1-ε)·δ
获得目标降落伞的透气特征尺寸D。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，根据目标降落伞的伞衣织物孔隙率ε、以及透气特征尺寸D，分别按如下各公式：
Figure BDA0002549859300000022
Figure BDA0002549859300000023
获得目标降落伞所对应的伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中的透气速度模型按如下过程进行构建；
根据目标降落伞内外侧气压差ΔP与目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、目标降落伞的目标飞行速度v之间的如下关系式(1)；
Figure BDA0002549859300000031
并基于降落伞伞衣的多孔介质材料细观结构，结合应用Ergun公式所建立的伞衣两侧压差-透气速度模型如下式(2)；其中，a表示目标降落伞的粘性系数，b表示目标降落伞的惯性系数
Figure BDA0002549859300000032
在a＝μa0、b＝ρb0的关系下进行方程联立，构建获得步骤C中的透气速度模型。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞的实时飞行过程，实现目标降落伞在各飞行高度、飞行速度下的伞衣透气速度的获得。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞，实现目标降落伞在预测飞行高度、以及预测飞行速度下的伞衣透气速度的预测。
本发明所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计降落伞伞衣透气速度获得方法，综合考虑了降落伞高空飞行过程中的周围气流属性、降落伞飞行速度、以及织物细观结构特点等多种因素，基于多孔介质理论和降落伞工作过程的伞衣压差-飞行动压方程，可以快速计算得到降落伞高空飞行过程中任意速度-高度下的伞衣透气速度，从而为进一步降落伞总透气量的计算与降落伞设计提供指导；整个技术方案设计可以不通过织物透气性试验，采用全新设计方案，能够有效提高目标降落伞伞衣透气速度的获得效率。
附图说明
图1是本发明所设计降落伞伞衣透气速度获得方法的流程图；
图2为某型美军降落伞(伞衣材料为PIA-C-7020,Type I)不同高度的伞衣透气速度结果；图3为某型美军降落伞(伞衣材料为PIA-C-7020,Type I)在海平面附近飞行的伞衣透气速度对比验证图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种降落伞伞衣透气速度获得方法，用于实现目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度的获得，实际应用当中，如图1所示，具体执行如下步骤A至步骤C。
步骤A.根据目标降落伞的伞衣厚度δ、以及伞衣织物孔隙率ε，按如下公式：
D＝6(1-ε)·δ
获得目标降落伞的透气特征尺寸D，然后进入步骤B。
步骤B.根据目标降落伞的伞衣织物孔隙率ε、以及透气特征尺寸D，分别按如下各公式：
Figure BDA0002549859300000041
Figure BDA0002549859300000042
获得目标降落伞所对应的伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，然后进入步骤C。实际应用当中，a0、b0在降落伞的设计生产制造中便可确定。
步骤C.根据目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、以及空气动力粘度μ，结合目标降落伞所对应的伞衣厚度δ、伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，以及目标飞行速度v，按如下透气速度模型：
Figure BDA0002549859300000043
获得目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度vq；实际应用当中，目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、以及空气动力粘度μ可通过查询大气数据确定气流属性。
实际应用当中，上述步骤C中的透气速度模型，具体按如下过程进行构建。
根据目标降落伞内外侧气压差ΔP与目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、目标降落伞的目标飞行速度v之间的如下关系式(1)；
Figure BDA0002549859300000044
并基于降落伞伞衣的多孔介质材料细观结构，将其近似为多孔介质材料，则根据多孔介质理论，结合应用Ergun公式所建立的伞衣两侧压差-透气速度模型如下式(2)；其中，a表示目标降落伞的粘性系数，b表示目标降落伞的惯性系数，a、b和织物的细观结构及外界流场环境参数有关。
Figure BDA0002549859300000051
在a＝μa0、b＝ρb0的关系下进行方程联立，构建获得步骤C中的透气速度模型。
上述技术方案所设计降落伞伞衣透气速度获得方法，在实际应用当中，一方面，步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞的实时飞行过程，实现目标降落伞在各飞行高度、飞行速度下的伞衣透气速度的获得。另一方面，步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞，实现目标降落伞在预测飞行高度、以及预测飞行速度下的伞衣透气速度的预测。
将上述所设计降落伞伞衣透气速度获得方法应用于实际当中，以某型美军降落伞为例，伞衣材料为PIA-C-7020,Type I，则伞衣厚度δ＝7.62×10-5m，伞衣织物孔隙率ε＝0.165，执行步骤A至步骤B，即可获得步骤C中的透气速度模型如下。
Figure BDA0002549859300000052
因此最后执行步骤C，即可针对该以PIA-C-7020,Type I为伞衣材料的美军伞，当飞行高度与速度v∞确定后，空气动力粘度μ和空气密度ρ便可以根据高度确定，进而可以按上述透气速度模型，获得目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度vq。
实际应用中，当计算中飞行高度H分别选取0km、2km、5km和8km的高度，不同高度的气流属性如下表1所示，飞行速度v取值范围从10m/s到40m/s。
Figure BDA0002549859300000053
表1
将不同高度不同速度的计算参数带入式(3)中，得到不同高度下降落伞伞衣透气速度的变化情况，如图2所示。其中选取海平面附近高度处的数据进行验证计算。根据式(3)计算降落伞伞衣(伞衣材料为PIA-C-7020,Type I)透气速度结果与试验值的对比误差如下表2所示，整体对比情况如图3所示。
Figure BDA0002549859300000061
表2
综合表2和图3可以发现：本计算方法与试验值的误差较小，完全在可接受范围内，证明了本发明的可行性与正确性。
本发明可以不通过织物透气性试验，并且综合考虑了降落伞飞行过程中的周围气流属性、降落伞飞行速度以及织物细观结构特点等多种因素，快速计算得到降落伞飞行过程中任意速度-高度处的伞衣透气速度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于，用于实现目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度的获得，包括如下步骤：
步骤A.根据目标降落伞的伞衣厚度δ、以及伞衣织物孔隙率ε，获得目标降落伞的透气特征尺寸D，然后进入步骤B；
步骤B.根据目标降落伞的伞衣织物孔隙率ε、以及透气特征尺寸D，获得目标降落伞所对应的伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，然后进入步骤C；
步骤C.根据目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、以及空气动力粘度μ，结合目标降落伞所对应的伞衣厚度δ、伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0，以及目标飞行速度v，按如下透气速度模型：
Figure FDA0002549859290000011
获得目标降落伞在目标飞行高度、目标飞行速度下的伞衣透气速度vq。
2.根据权利要求1所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于：所述步骤A中，根据目标降落伞的伞衣厚度δ、以及伞衣织物孔隙率ε，按如下公式：
D＝6(1-ε)·δ
获得目标降落伞的透气特征尺寸D。
3.根据权利要求1所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于：所述步骤B中，根据目标降落伞的伞衣织物孔隙率ε、以及透气特征尺寸D，分别按如下各公式：
Figure FDA0002549859290000012
Figure FDA0002549859290000013
获得目标降落伞所对应的伞衣透气一次项系数a0、伞衣透气二次项系数b0。
4.根据权利要求1所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于：所述步骤C中的透气速度模型按如下过程进行构建；
根据目标降落伞内外侧气压差ΔP与目标飞行高度位置所对应的大气密度ρ、目标降落伞的目标飞行速度v之间的如下关系式(1)；
Figure FDA0002549859290000021
并基于降落伞伞衣的多孔介质材料细观结构，结合应用Ergun公式所建立的伞衣两侧压差-透气速度模型如下式(2)；其中，a表示目标降落伞的粘性系数，b表示目标降落伞的惯性系数
Figure FDA0002549859290000022
在a＝μa0、b＝ρb0的关系下进行方程联立，构建获得步骤C中的透气速度模型。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于：所述步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞的实时飞行过程，实现目标降落伞在各飞行高度、飞行速度下的伞衣透气速度的获得。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述一种降落伞伞衣透气速度获得方法，其特征在于：所述步骤A至步骤C的执行，用于针对目标降落伞，实现目标降落伞在预测飞行高度、以及预测飞行速度下的伞衣透气速度的预测。
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