傘兵軌跡測量與過載預測方法研究*

吉　寧　惠廣裕

(中國飛行試驗研究院　西安　710089)

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傘兵軌跡測量與過載預測方法研究*

吉寧惠廣裕

(中國飛行試驗研究院西安710089)

摘要論文在分析傘兵降落過程中自由墜落階段和充氣階段運動的基礎上,提出了一種傘兵軌跡測量與過載預測的方法。飛行試驗結果表明該方法對于傘兵軌跡的測量與過載的預測滿足工程測量的精度要求。這種方法不受空投高度、天氣等條件的限制,操作簡單,成本低。可用于空降試飛或其他領域內的軌跡測量。

關鍵詞傘兵降落; 軌跡; 開傘動載; 測量; 預測

Class NumberV221

1引言

運輸機實施傘兵空投時,空降傘兵跳離機體后,降落傘從打開傘包到穩定下降過程包括四個階段:離開機體到打開傘包的自由墜落階段,從傘包內拉出主傘到傘衣、傘繩全長拉直的拉直階段,傘衣、傘繩全長拉直到傘衣全部充滿的充氣階段和傘衣充滿到穩定下降的穩降階段[1～4]。

自由墜落階段內,人-傘系統與飛機的相對位置,人-傘系統之間的相對位置直接影響飛行安全;充氣階段內作用于人體上的動載荷直接影響傘兵安全從而影響部隊戰斗力的形成。因此,空降系統試飛中驗證飛機的空降能力和空降系統的功能和性能時,測量自由墜落階段內人-傘系統的軌跡及充氣階段作用于人體上的動載至關重要[5～9]。

目前,多采用直接在空投假人上安裝過載傳感器來實現動載測量,而對于人-傘系統軌跡的測量主要有視頻拍攝、光電經緯儀測試和GPS測試等[10～11]。實際試飛中,這些方法或是因為測量范圍小、或是配試資源多、或是受天氣和高度因素等條件限制而影響經費開支以及試飛周期。

2傘兵運動分析

2.1自由墜落階段

假設自由墜落階段內人-傘系統視為集中在人-傘系統重心處的一個質點,質點作平面運動;不考慮風速的影響;系統阻力特征為常數;不考慮升力。航跡坐標下,人-傘系統受力分析如圖1所示[1]。

圖1　人-傘系統受力分析

人-傘系統軌跡方程如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中,θ為傘兵的姿態角即速度與水平方向的夾角;v為傘兵運動速度;(CA)xt為系統阻力特性。

2.2充氣階段

對于充氣過程中的軌跡和開傘動載的計算均屬于半經驗半理論的方法,本文使用充氣距離法分析人-傘運動軌跡,假設人和降落傘的運動為雙質點運動,人的質量mr集中在重心處,傘的質量ms集中于傘衣底部中心;不考慮風速的影響及假人-傘系統的升力,假人-傘系統做平面運動;忽略降落傘系統彈性的影響,人-傘二者之間相對位置保持不變。那么在航跡坐標下,人-傘的受力如圖2所示[1]。

圖2　人-傘系統受力分析

dvds= -mr+msmr+ms+mfgsinθ-12ρv2(CA)r+(CA)mr+ms+mf?è?

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

開傘過載:

(10)

式(5)～式(10)中,mr為人的質量;ms為傘的質量;mf為附加質量;(CA)r為人的阻力特性;(CA)傘的阻力特性;θ為傘兵的姿態角;v為傘兵運動速度。

3測量方案

式(1)～式(10)表明,傘兵軌跡可由傘兵姿態與傘兵運動速度計算獲得。姿態可以通過加裝姿態傳感器測量計算獲得,問題的關鍵是人-傘的速度測量。

圖3　人-傘系統軌跡

當Δt→0時,人-傘系統從i點到(i+1)點的長度Li(i+1)→0,假設Δt內人-傘系統從i點勻加速直線運動到(i+1)點,加速度為(aix,aiy),那么:

vi+1=vi+aiΔt

(11)

人-傘系統從i點到(i+1)的運動軌跡在x,y方向的增量分別為

(12)

人-傘系統運動軌跡為

(13)

式(11)～式(13)表明,測量得人-傘系統加速度后,通過計算可獲得人-傘系統運動的n個離散點的軌跡坐標,擬合n個離散點的軌跡坐標可獲得系統的軌跡。求解式(1)～式(11)可獲得自由墜落階段與充氣階段運動軌跡及運動過載。為降低計算誤差,根據測試系統的采樣率確定Δt的大小(采樣周期的整數倍)進行軌跡劃分。

4試飛驗證

載機按照預定航線到達指定空域后,保持飛行高度1004m,速度310km/h,試飛工程師開啟測試系統后,投放假人模擬傘兵空降。試驗用第5%百分位假人,體重80kg。假人出艙時,速度v0=1.79m/s,姿態角θ0=32.7°。試飛中,全程測量并記錄假人姿態與加速度,伴飛飛機測量假人軌跡。

試驗測試采樣周期為0.002s,選取Δt=0.02s,求解式(12)～式(4)獲得假人空降軌跡及過載。假人離艙2s內計算軌跡與實測軌跡如圖4所示;計算過載與實測過載如圖5所示。

圖4　計算軌跡與實測軌跡

(a) 計算過載

(b) 實測過載圖5　計算過載與實測過載

計算結果表明,計算軌跡最大相對誤差為0.1m。試驗用的第5%百分位假人身高1.68m,相對誤差可接受。在傘衣充滿階段實測值最大過載為8.5g計算值為8.2g,最大相對誤差誤差3.5%,誤差滿足GJB1850-93中4.2.2.2對于傘兵空降過載測量的要求。誤差產生的原因主要包括測量本身的誤差以及計算模型簡化引入的誤差。

5結語

本文提出的傘兵軌跡測量與開傘過載預測方法不受空投過程中飛機的飛行高度、天氣條件等諸多因素的制約,測量精度滿足工程精度要求。該方法操作簡單,成本低,能有效降低試飛成本、減少配試資源及縮小試飛周期。該方法可以指導空降試驗點的選取,為確定空降包線提供參考依據,指導傘兵空降損傷預判及耐受分析。

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Paratrooper Track Measurement Method and Estimation of Overload

JI NingHUI Guangyu

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an710089)

AbstractBased on the analysis during free fall parachutist’s landing stage and inflatable foundation phase of the campaign, a paratrooper track measurement method and estimation of overload are proposed. Flight test results show that the method for paratrooper track measurement and the prediction of overload meet the accuracy requirements of engineering survey. This method is not restricted by drop height, weather and other conditions, whose operation is simple and cost is low. It can be used for flight test for drop by parachute or other areas of track measurement.

Key Wordsparatroopers landed, track, overload of parachute, measurement, estimation

* 收稿日期:2015年11月8日,修回日期:2015年12月24日

作者簡介:吉寧,女,碩士,工程師,研究方向:飛機環境控制、個體防護系統與空運、空投空降系統試飛技術。惠廣裕,男,碩士研究生,工程師,研究方向:飛行試驗光電測試技術。

中圖分類號V221

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.006