渦環旋轉傘系統減速導旋效率研究

馬曉冬, 郭 銳, 劉榮忠, 胡志鵬, 呂勝濤

(1. 南京理工大學機械工程學院, 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094; 2. 哈爾濱建成集團有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150030; 3. 中國兵器工業第203研究所, 陜西 西安 710065)

渦環旋轉傘系統減速導旋效率研究

馬曉冬1,2, 郭 銳1,*, 劉榮忠1, 胡志鵬3, 呂勝濤1

(1. 南京理工大學機械工程學院, 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094; 2. 哈爾濱建成集團有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150030; 3. 中國兵器工業第203研究所, 陜西 西安 710065)

為了解渦環旋轉傘的減速導旋特性，提高旋轉傘系統的減速導旋效率，以滿足某些載物工作狀態對轉速、落速的苛刻需求，設計一種由渦環旋轉傘和圓形減速傘構成的組合傘系統。制作單傘系統和組合傘系統的試驗模型，分別進行傘塔試驗。基于傘塔試驗的高速攝影和圖像處理技術，提取傘物系統的彈道數據點，結合彈道模型，用最小二乘法擬合時間彈道數據，得到單傘系統和組合傘系統的極限速度和阻力特征。基于姿態存儲測量法，獲得傘物系統的轉速變化規律。對單傘系統和組合傘系統的彈道規律及減速導旋效率等數據進行對比分析，提出可有效提高旋轉傘系統轉速落速比的方法。結果表明：對高速錄像進行圖像處理可簡單快速有效地提取傘物系統的極限速度和阻力特征；單具渦環旋轉傘可提供更大扭矩，使載物旋轉加速度更大，其導旋效率高；組合傘可提供更大阻力，使載物極限落速更低，其減速效率高；組合傘系統的轉速落速比更大，整體性能優于單傘系統。

渦環旋轉傘；組合傘；傘塔試驗；減速導旋效率；轉速落速比

0 引 言

渦環旋轉傘是一種常見的旋轉降落傘。傘衣的高速旋轉，使得帶渦環旋轉傘的物傘系統在下降時具有良好的穩定性。此外，它還具有阻力系數大、開傘動載小、易維護等優點，也被廣泛應用于兵器的彈道控制、飛機的著陸減速和控制、空降空投、航天飛行器的安全回收技術以及外太空的探險和著陸等領域[1-2]。

在工程界和學術界，國內外眾多研究者對平面圓形或錐形等結構軸對稱傘系統進行了大量的理論研究和探索，但對旋轉降落傘系統缺乏比較系統的研究。旋轉傘系統的穩定落速和穩定轉速是兩個重要指標參數，直接決定其工作性能，穩定狀態下的轉速落速比是評價旋轉傘系統的一個重要指標。關于旋轉降落傘的已有研究多涉及旋轉傘-載物系統的動力學建模[3-10]，對彈道特性和動力學特性進行仿真分析，很少有關于旋轉傘系統減速導旋效率的討論。特別地，文獻[11]通過理論分析和傘塔投放試驗方法研究了渦環旋轉傘的開傘充氣穩定性及其減速導旋運動特性，獲得了傘衣幅結構及傘繩連接方式對渦環旋轉傘減速導旋運動的影響規律，但未指出提高轉速落速比的有效措施。

為進一步了解渦環旋轉傘的減速導旋特性，提高旋轉傘系統的轉速落速比，設計了一種由渦環旋轉傘和圓形減速傘構成的組合傘系統。針對傘塔投放試驗數據，利用圖像處理技術和姿態存儲測量技術，得到單傘系統和組合傘系統的落速和轉速變化，進一步對比分析二者的減速導旋效率，得到提高渦環旋轉傘系統轉速落速比的有效措施。

1 理論模型

本文研究的渦環旋轉傘系統主要由5部分組成，包括傘衣幅、傘繩、傘盤、旋轉接頭和載物，如圖1所示。渦環旋轉傘的結構復雜，一般由4片傘衣幅和多根不同長度的傘繩連接而成。傘衣幅上不對稱的開口設計可以實現在充滿的情況下，形成一定的凸面和傾斜度，在不對稱空氣動力和力矩的作用下實現旋轉性能，傘盤通過旋轉接頭帶動載物旋轉。

1.1 渦環旋轉傘系統減速運動模型

試驗求解渦環旋轉傘系統極限落速和阻力特征過程中，假設渦環旋轉傘充滿后形狀不再變化，忽略姿態變化，將其簡化為僅受空氣阻力和重力的單剛體運動，則其三自由度運動方程為:

式中，v=[vxvyvz]T為系統相對于地面的速度，x為系統空間位置向量，g為重力加速度，mp和md分別為渦環旋轉傘和載物的質量，ρ為空氣密度，(CpSp+CdSd)為系統的阻力特征，Cp和Cd分別為渦環旋轉傘和載物的阻力系數，Sp和Sd分別為二者的迎風面積。 只考慮系統豎直方向的運動，即vy=vz=0。當系統達到平衡狀態時，dv/dt=0，由式(1)得系統極限速度

由文獻[9]可知由極限速度表示的系統運動方程為

式中，x為系統下落距離，t為飛行時間。

由式(3)知，若已知系統飛行時間向量T[t1，t2，…，tn]及對應高度向量X[X1，X2，…，Xn]，則可通過擬合的方法計算得到傘塔試驗中渦環旋轉傘系統的極限速度，再通過式(2)計算得到阻力特征。

1.2 渦環旋轉傘系統轉動運動方程

假設傘軸與鉛垂軸平行，且系統僅繞傘軸旋轉。渦環旋轉傘的轉動方程為:

式中，ωb為渦環旋轉傘的穩定轉速。

2 傘塔試驗與數據處理

2.1 試驗環境與條件

傘物系統試驗模型從高塔頂部100 m處投放，初始落速和轉速均為零。試驗用Red lake dk100高速錄像機，拍攝頻率1000 Hz，圖片像素640×480，距投放點地面投影100 m。標志物為鉛垂放置且有固定尺寸刻度的繩索，如圖3和圖4所示，通過測量底部標志物N點的實際高度確定各標志物的高度。為準確記錄傘物系統下落時間和轉速變化，在載物上裝有姿態參數存儲測量儀。

2.2 基于圖像提取落速

傘物系統自由飛行時間較短，天空背景幾乎不變，利用Surendra算法[13]提取高速攝影圖片中的天空背景。選取傘物系統在視場中的高速攝影圖片序列，與天空背景差分并去噪后得到傘物系統運動圖像序列[14-16]，最終得到傘物系統的上下左右像素極值。本文關注鉛垂方向的運動，故可由載物下緣像素坐標來確定傘物系統的位置和運動。

為得到傘彈系統下落過程中的實際高度，可在高速錄像拍攝的背景中設置兩個與地面高度確定的標尺M和N，如圖3所示，其中YM和YN為圖片中標尺M和N的鉛垂像素坐標，HM和HN分別為二者距地面的實際距離，YP為載物下緣的鉛垂像素坐標。傘物系統的實際高度為：

高速錄像圖片序列中傘物系統的實際高度組成高度向量H。設傘物系統初始高度為H0，則其下落距離向量X=H0I-H。

設高速錄像的頻率為f，則拍攝第n張圖片至第n+i張圖片的飛行時間為((n+i)-n)/f。設第一張圖像拍攝于傘物系統拋出后的t1秒，則第n張圖片中傘物系統的飛行時間為t1+n/f。根據選取的高速錄像圖片序列，可確定對應的傘物系統飛行時間向量T。

已得到原始數據X和T，且二者之間滿足式(3)，其中V為待定系數，則通過最小二乘法[17]可擬合出傘物系統的極限速度V，進而求出其阻力特征。

初始時間t1未知，可通過逐漸增大試取t1值，由擬合誤差判斷是否達到要求。當誤差小于設定值時，認為所取t1值與試驗中傘物系統下落到圖像拍攝時刻吻合。

2.3 基于姿態參數存儲測量儀提取轉速

姿態參數存儲測量儀采用三軸加速度計和三軸磁阻傳感器，獲得3路加速度分量和3路地磁分量，如圖5所示，采樣頻率500 Hz。試驗結束回收測量儀，基于MATLAB調用存儲數據進行數據處理，可得到試驗模型在下降過程中的轉速變化和飛行時間。具體實現過程如下：

(1) 利用三軸轉臺給定載物固定轉速，對姿態參數存儲測量儀進行標定；

(2) 讀入地磁分量數據;

(3) 鼠標選取起始(Start falling)至終點(Touching the ground)數據段；

(4) 利用采樣頻率將時間坐標轉化為秒，步驟(3)中截取數據段的時長即系統的飛行時間，利用測量儀標定曲線將地磁分量數據轉化為轉速；

(5) 對得到的轉速曲線光滑處理。

3 結果分析與驗證

3.1 結果分析

處理傘塔試驗數據，得到系統極限速度、阻力特征及穩定轉速，如表1所示。由于組合傘的渦環旋轉傘和減速傘均具有減速作用，因此組合傘-載物系統的極限速度較小，阻力特征較大，即比單傘系統具有更好的減速效率。傘衣迎風面積遠大于載物迎風面積，若忽略載物對系統阻力的影響，則可得到渦環旋轉傘和組合傘的阻力系數，分別為1.06和1.47。組合傘系統的穩定轉速稍小于單傘系統，但轉速落速比明顯大于單傘系統。

表1 傘物系統主要運動數據Table 1 Main motional data of parachute-payload system

圖6為傘物系統轉速變化曲線。在導旋初期，單傘系統的旋轉加速度較大，在較短的時間內達到最大轉速，隨后轉速小范圍波動，認為達到穩定狀態。組合傘系統的旋轉加速度較小，在下落過程中，轉速平穩地逐漸增大，在即將落地時轉速才達到最大值。旋轉加速度的大小主要由渦環旋轉傘的大小決定。傘衣幅較大的渦環旋轉傘展開充滿后，可為載物提供較大的扭矩，載物一定的情況下，其旋轉加速度更大，所以單傘系統比組合傘系統具有更好的導旋效率。

3.2 結果驗證

為驗證結果的準確性，同時直觀地進行比較，將圖像處理、數據擬合得到的阻力特征代入傘物系統三自由度運動方程(1)，得到傘物系統自由下落過程中的高度變化曲線和速度變化曲線，如圖7和圖8所示。圖7得到：傘物系統試驗飛行高度變化與理論計算結果吻合良好，組合傘系統的滯空時間明顯長于單傘系統。圖8得到：少數實時平均速度大小出現跳動變化，這是由于圖片像素較低，載物輪廓比較模糊，每次進行圖像提取載物下緣位置不完全一致而產生的誤差。但此時系統落速不再明顯變化，可忽略這些少數數據點。由平均速度法測得的速度值與理論速度曲線吻合良好。

從圖7可看出，單傘系統和組合傘系統從100 m高下落到地面分別用時約9 s和10.5 s，而從如圖5所示的姿態原始數據中可知二者實際飛行時間約為10 s和9 s。理論計算和傘塔試驗結果差別較大，但二者并不矛盾。理論計算假設傘物系統一直保持形狀不變，即初始狀態下傘即處于充滿狀態；而傘塔試驗中下落初期，傘要進行充氣，且受到橫風的影響，受隨機因素影響相對較大。處理得到的傘塔試驗數據主要是傘物系統穩定狀態下的數據，與理想狀態下的理論計算結果吻合，所以本文的數據處理方法是可行的。

4 結 論

1) 通過Surendra方法提取傘物系統背景圖像，對高速錄像拍攝圖像進行運動目標提取，獲得傘物系統下落的時間、高度向量，結合運動模型，利用最小二乘擬合方法求解自由下落狀態的極限速度和阻力特征。該方法快速簡單有效。

2) 單傘系統的傘衣幅面積大，展開后可為載物提供更大的扭矩，使載物具有更大的旋轉加速度，在較短的時間內轉速達到最大，即單傘系統具有更好的導旋效率。

3) 組合傘系統的渦環旋轉傘和圓形減速傘均具有良好的減速效果，故其阻力特征明顯大于單傘系統，極限落速小于單傘系統，即組合傘系統具有更好的減速效率；本文設計的渦環旋轉傘和組合傘的阻力系數分別約為1.06和1.47。

4) 穩定狀態下，組合傘系統的轉速落速比大于單傘系統，組合傘系統的工作性能優于單傘系統。

[1]Wang L R. The theory and application of parachute[M]. Peking: Aerospace press, 1997. (in Chinese)王利榮. 降落傘理論與應用[M]. 北京: 宇航出版社, 1997[2]Ewing E G, Bixbu H W, Knacke T W. Recovery systems design guide[R]. AD A070251, Dec, 1978.

[3]Pillasch D W, Shen Y C. Parachute/submunition system coupled dynamics[R]. AIAA-84-0875, 1984.

[4]Doherr K F. Nine-degree-of-freedom simulation of rotating parachute systems[J]. Journal of Aircraft, 1992, 29(5): 774-781.

[5]Guo R, Liu R Z, Huang F F, et al. Study on the decelerating and rotating dynamics model for a certain rotating parachute system[C]//Third International Conference on Information and Computing, 2010: 216-218.

[6]Liu S P, Han Z P. A drag model for parachute-projectile systems of sensor-fuzed munitions[J]. Acta Armamentarii, 1997, 18(3): 221-225. (in Chinese)劉世平, 韓子鵬. 末敏彈旋轉傘-彈系統阻力模型研究[J]. 兵工學報, 1997, 18(3): 221-225.

[7]Tang Q G, Zhang Q B, Zhang X J, et al. Nine-degree-of-freedom model of bomb-parachute system[J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(4): 449-452. (in Chinese)唐乾剛, 張青斌, 張曉今, 等. 傘-彈系統九自由度動力學模型[J]. 兵工學報, 2007, 28(4): 449-452.

[8]Tang Q G, Wang Y, Zhang Q B, et al. Application of dynamics and kinematics of parachute-bomb system in target identification for a target sensitive projectile[J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(7): 796-799. (in Chinese)唐乾剛, 王昱, 張青斌, 等. 傘-彈動力學及運動學在末敏彈目標識別中的應用[J]. 兵工學報, 2007, 28(7): 796-799.

[9]Guo R, Liu R Z. Dynamics model and simulation of rigid and flexible coupling system for terminal-sensitive submunition[J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(1): 10-14. (in Chinese)郭銳, 劉榮忠. 末敏彈剛柔耦合系統動力學模型及仿真[J]. 兵工學報, 2007, 28(1): 10-14.

[10]Yin K G. Study on the motion characteristic of terminal-sensitive submunition[D]. Nanjing University of Science and Technology, 2008. (in Chinese)殷克功. 末敏子彈運動特性分析研究[D]. 南京理工大學, 2008.

[11]Guo R, Liu R Z, Hu Z P, et al. Study on the inflated stability and motional characteristics of vortex ring parachute canopy[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2013, 31(6): 733-738. (in Chinese)郭銳, 劉榮忠, 胡志鵬, 等. 渦環旋轉傘開傘穩定性及減速導旋運動特性研究[J]. 空氣動力學學報, 2013, 31(6): 733-738.

[12]Zhang Y J. Advanced dynamics[M]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology Press, 2003. 張延教. 高等動力學[M]. 南京: 南京理工大學出版社, 2003.

[13]Wang Z Q, Liu F Q. Comparison of adaptive extract algorithm of object scene[J]. Computer Engineer, 2008, 34(23): 220-223. (in Chinese)王正勤, 劉富強. 自適應背景崎嶇算法的比較[J]. 計算機工程, 2008, 34(23): 220-223.

[14]Fan Y, Guo C G. A method for detection and recognition of moving objects in sequential images[J]. Journal of Dalian University of Technology, 2004, 44(1): 122-126. 范盈, 郭成安. 一種運動圖像的檢測與識別技術[J]. 大連理工大學學報, 2004, 44(1): 122-126.

[15]Liu G X, Shao M L, Liu X H, et al. Video moving object auto-extraction in real scene[J]. Acta Optica Sinica, 2006, 26(8): 1150-1155. (in Chinese)

劉貴喜, 紹明禮, 劉先紅, 等. 真實場景下視頻運動目標自動提取方法[J]. 光學學報, 2006, 26(8): 1150-1155.

[16]Hu Z P, Liu R Z, Guo R, et al. TSP drag coefficient calculation based on projectile image processing[J]. Journal of Detection & Control, 2012, 34(3): 8-12. (in Chinese)胡志鵬, 劉榮忠, 郭銳, 等. 基于彈丸圖像的末敏彈阻力系數計算方法[J]. 探測與控制學報, 2012, 34(3): 8-12.

[17]Wan J W, Xiong D L, Huang F K. Robust estimation for the coefficient of resistanceCD[J]. Acta Armamentarii, 1991(1): 21-28. (in Chinese)萬建偉, 熊棟梁, 皇甫堪. 彈丸阻力系數CD的Robust估計[J]. 兵工學報, 1991(1): 21-28.

Study on decelerating and spinning efficiency of vortex ring parachute system

Ma Xiaodong1,2, Guo Rui1,*, Liu Rongzhong1, Hu Zhipeng3, Lyu Shengtao1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ZNDYMinisterialKeyLaboratory,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China；2.HarbinJianchengGroupLimitedCompany,Harbin150030,China;3.No.203ResearchInstituteofChinaOrdnanceIndustries,Xi’an710065,China)

To understand the decelerating and spinning characteristics of vortex ring parachute, increase the decelerating and spinning efficiency of rotating parachute system, and satisfy the harsh demand of limiting falling speed and rotating speed for some payloads at specific working state, a compound parachute system composed of a circle drag parachute and a vortex ring parachute was designed. The test models of single parachute system and compound parachute system were made out, and then two tower tests were carried out separately. Based on high speed photography of parachute tower test and image processing technology, the trajectory data points of the parachute-payload system were extracted. Combining with the trajectory model, the time and trajectory data was fitted by least square method, the limiting falling speed and the resistance characteristics of the system were obtained. Using attitude memory-measuring technology, the rotating speed changing law of parachute-payload system was gained. The trajectory laws and the decelerating and spinning efficiency of the vortex ring parachute and the compound parachute system were analyzed contrastively, and then the method to increase the ratio of rotating speed and limiting falling speed availably was proposed. The results show that through processing the pictures shot by high-speed camera, the limiting falling speed and resistance characteristics of the parachute-payload system can be extracted quickly and efficiently. The single vortex ring parachute could provide bigger torque so that the rotating accelerating of the payload is higher, which means that the spinning efficiency is better. The compound parachute could bigger resistance so that the limiting falling speed of the payload is lower, which means that the decelerating efficiency is better. The radio of rotating speed and falling speed of compound parachute system is bigger than that of single parachute system, which means that the whole performance of compound parachute system is better.

vortex ring parachute; compound parachute; parachute tower test; decelerating and spinning efficiency; ratio of rotating speed and falling speed

0258-1825(2017)01-0057-06

2015-01-05;

2015-02-27

國家自然科學基金(11372136); 國家自然科學基金-青年科學項目(11102088); 江蘇省研究生培養創新計劃項目(CXLX12-0210)

馬曉冬(1988-),男,黑龍江寶清人,工程師,博士,研究方向:彈藥的靈巧化與智能化. E-mail: bqnj6222007@126.com

郭銳*(1980-),男,山東海陽人,副教授,博士,研究方向:彈藥的靈巧化與智能化. E-mail: guoruid@163.com

馬曉冬, 郭銳, 劉榮忠, 等. 渦環旋轉傘系統減速導旋效率研究[J]. 空氣動力學學報, 2017, 35(1): 57-61.

10.7638/kqdlxxb-2015.0003 Ma X D, Guo R, Liu R Z, et al. Study on decelerating and spinning efficiency of vortex ring parachute system[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(1): 57-61.

V211.73

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0003