環片數量對環帆傘氣動性能的影響

高 暢，余 莉，張思宇

（南京航空航天大學飛行器環境控制與生命保障工業和信息化部重點實驗室，南京210016）

環帆傘因其優良的充氣性能、較好的穩定性以及較高的阻力系數等一系列優點[1-2]，廣泛應用于航天器回收著陸系統。作為航天器回收系統中主傘的重要代表，其氣動性能對航天器回收著陸過程中的速度、姿態有著十分重要的影響。

環帆傘由上部環和下部波帆組成，由于結構復雜，其開縫位置、開縫大小、環片數量等參數變化都對環帆傘的氣動性能有非常重要的影響。環帆傘一般面積較大，風洞試驗極易造成堵塞效應。因此，目前國內外對于環帆傘氣動性能的研究大多采用數值計算的方法。

Christopher，Jason D[3]采用時序形狀測定法對不同收口比的環帆傘的穩態氣動外形和穩態流場進行了計算；T*AFSM團隊利用空間穩定—時空流固耦合（SSTFSI）技術，通過采用均質幾何模型（HMGP）技術解決了環帆傘由結構透氣性引起的難題，分析了獵戶座飛船可能使用的環帆傘傘衣設計構型的性能，總體研究表明，去除某一位置的帆會提高靜態穩定性，但同時會帶來阻力的損失[4-7]。

在環帆傘結構的優化設計方面，甘小嬌[8]等人基于環帆傘穩降過程開展了環縫和月牙縫等結構透氣參數與氣動性能關系的研究，并擬合出多項式曲線；甘和麟[9]利用LS-DYNA 及Matlab 軟件設計了環帆傘參數設計仿真平臺，并利用該平臺開展了結構參數對傘衣面積和頂部結構透氣量偏差的靈敏度分析，分析了環帆傘頂部結構透氣量對阻力特性的影響；賈賀[10]等人基于CFD 方法，在超音速條件下，對不同孔隙率的環帆傘模型進行數值模擬，分析了開縫位置及孔隙率對環帆傘氣動性能的影響機理。

對環帆傘來說，環片結構布局對環帆傘氣動性能影響顯著，但當前對其規律的深入研究仍顯匱乏。基于此，本文采用CFD 方法，分別針對定結構透氣量和變結構透氣量2種環片結構開展了環片數量對傘衣氣動性能的影響研究，以探究環帆傘氣動性能優化的環片設計方案。

1 研究對象

本文以某環帆傘為對象，開展穩降階段的繞流流場計算，傘衣幅結構如圖1所示，具體結構尺寸如表1所示。

根據文獻[11]，環帆傘充滿時的投影直徑為名義直徑的60%～68%，本文取其平均值。同時，根據空投試驗的充滿外形確定加強帶的子母線形狀，最終得到傘衣的氣動外形，如圖2所示。

圖1 環帆傘傘衣幅結構Fig.1 Structure of the ringsail parachute gore

表1 環帆傘結構尺寸Tab.1 Structural size of the ringsail parachute

圖2 充滿狀態下環帆傘模型Fig.2 Kingsail parachute model under inflation state

以上述環帆傘為基礎，在維持名義面積、傘衣環帆高度比不變的情況下，調整環片結構、改變環片數量，分別開展定結構透氣量和變結構透氣量情況下環片數量對傘衣氣動性能的影響研究。首先，保證結構透氣性不變，改變環片數量并相應調整環片高度，設置4個研究對象；其次，控制環片高度不變，改變環數，結構透氣量隨之變化，設置3 個研究對象。各研究對象結構參數如表2所示。

表2 環帆傘結構參數Tab.2 Structural parameters of ringsail parachute

2 數值計算方法

2.1 控制方程

根據環帆傘穩降階段的速度特點，本文采用不可壓Navier-Stokes方程進行求解，其控制方程為：

式（1）中：u 是速度矢量；ui是速度矢量u 分別在x、y、z 軸的分量；p 是流體微元體上的壓力；μ 是動力粘度；S 為廣義源項。

湍流模型選用標準k-ε 模型。采用有限體積法對控制方程離散，空間離散格式采用二階迎風格式，壓強與速度耦合求解算法采用SIMPLE算法[12]。

2.2 數值模型

在穩定下降階段，傘衣變形很小，并且傘衣織物透氣量對總透氣量的貢獻相對較小。因此，可忽略傘衣的變形及織物透氣性[13-15]。

根據傘衣外形對稱特點，建立了圓柱體流場計算域，流場尺寸為10D0×8D0×8D0（D0為環帆傘傘衣名義直徑，流場出口邊界至環帆傘頂部距離為6.5D0），如圖3 所示。流場計算采用速度入口、壓力出口邊界條件，為減小計算量，四周壁面采用對稱邊界，傘衣面選用無滑移固定壁面。

圖3 流場計算域Fig.3 Computational domain of flow field

2.3 方法驗證

采用文獻[16]的空投試驗結果進行驗證，計算工況高度H=6 000 m、下降速度v=40 m/s，攻角為0°；研究對象為A3。根據計算域和傘衣外形特點，本文建立了四面體網格[17-18]，且網格數量分別為0.37×106、0.87×106和1.3×106，見圖4。計算結果見表3，從中可以看出，本文的計算結果均小于空投試驗結果，這主要是由于本文所建立的氣動外形是理想的軸對稱狀外形，和空投試驗并不完全一致，但阻力系數誤差和空投試驗結果相比，最大誤差僅為6.7%，表明本文的流場計算結果滿足環帆傘氣動性能分析的誤差要求。當網格數過少時（0.37×106），會影響數據變化的捕捉，誤差較大；而網格數過多（1.3×106），一方面會增加計算消耗，另一方面也會導致浮點計算誤差增加。綜上分析，本文均采用0.87×106網格密度對不同對象的環帆傘進行繞流流場計算。

圖4 網格局部放大圖Fig.4 Partial enlarged view of the grid

表3 數值計算驗證對比Tab.3 Comparison of numerical calculation verification

3 流場分布規律

圖5 為定結構透氣量環帆傘（A1～A4）的流線圖。可從中看出，當結構透氣量不變時，即使環數發生變化，流場分布規律也基本保持一致：來流進入傘衣后分別從傘頂孔、傘衣透氣縫流出；傘衣的尾渦區由貼近傘衣面的第一尾渦區和尾部中心旋渦對組成的第二尾渦區構成[8]，如圖5 a）所示，渦核的位置和尾渦區大小相差不大。

圖6、7 為變結構透氣量環帆傘（B1～B3）的流線圖。從中可以看出，結構透氣量不同，傘衣的尾部流場變化很大：①隨著環帆傘環片數目增加，傘衣結構透氣量減小，射流速度減小，第一尾渦區面積減小，漩渦變小且分布更為均勻；②當環縫寬度增加，結構透氣性增加時，射流速度增加，近傘衣面尾流區旋渦尺寸增加，有可能導致傘衣穩定性降低；③當環數為2，傘衣上部結構透氣量達到17.4%時，結構透氣孔透流速度增加，較大的動能直接破壞第二尾渦區的形成，不再出現典型的傘衣后面兩大尾渦區結構。

圖5 定結構透氣量流線圖Fig.5 Streamline diagram of fixed geometric porosity

圖6 變結構透氣量流線圖Fig.6 Streamline diagram of variable geometric porosity

圖7 變結構透氣量傘衣面流線放大圖Fig.7 Streamline enlarged view of variable geometric porosity

4 環片數量對氣動性能的影響

4.1 定結構透氣性

圖8為A1～A4 4種環帆傘在0°攻角下的六自由度氣動參數，從中看出，各對象軸向氣動力系數（阻力系數）相近；其他5個自由度方向的氣動特性參數均很小，幾乎為0。定結構透氣量情況下，改變環片數量對氣動特性參數幾乎沒有影響。

圖8 0°攻角下六自由度氣動參數Fig.8 6-DOF aerodynamic parameters at 0° angle of attack

綜上，雖然環縫數量發生了變化，但是當結構透氣量相同時，傘衣外部流場分布相近，傘衣表面附著旋渦大小一致，使環帆傘整體受力均勻，阻力系數和力矩變化率相差不大，導致傘衣的氣動減速性能和氣動靜穩定性能非常接近，環片數量改變對其氣動性能幾乎沒有影響。

圖9 力矩系數隨攻角變化曲線Fig.9 Variation curve of moment coefficient with angle of attack

4.2 變結構透氣性

圖10 為B1～B3 環帆傘在0°攻角下的六自由度氣動參數。可以看出：環數增加，結構透氣量減小使軸向力系數（阻力系數）增大；對側向和法向氣動力系數及氣動力矩系數，其值始終保持一個接近于0的值。

由圖11力矩系數隨攻角變化曲線可看出，隨著環片數量的減少、結構透氣量的增加，攻角為0時的力矩系數變化率先降低后增加。由降落傘系統靜穩定性判據可知，B3靜穩定性最優，B2靜穩定性最弱。如第3 節所言，對象B3 的因傘衣面附著旋渦大小相近，環帆傘各部分受力均勻，穩定性較好；B1、B2 傘衣表面均出現了尺寸相差較大的旋渦，使傘衣各部分受力不均，穩定性較差；同時，B1由于環縫寬、透氣量大，速度較大的射流作用抵消部分尾渦不均勻分布帶來的不平衡力，穩定性有一定程度的提高。

圖10 0°攻角下六自由度氣動參數Fig.10 6-DOF aerodynamic parameters at 0° angle of attack

圖11 力矩系數隨攻角變化曲線Fig.11 Variation curve of moment coefficient with angle of attack

綜上所述，環片數目為4片時，環帆傘的穩定性能較好，且其阻力系數最高，相較其他研究對象而言是環帆傘整體性能較好的結構狀態。

5 結論

本文基于CFD 數值計算方法開展了定結構透氣量與變結構透氣量下繞流流場研究。通過對數值結果的分析，有如下結論：①定結構透氣量下，不同環片數量的環帆傘繞流流場分布規律一致，環片數量對氣動減速性能和氣動靜穩定性幾乎沒有影響。②變結構透氣量時，隨著環片數量的增加、結構透氣量的減小，流場內第一尾渦區縮小，旋渦分布更為均勻；環數為2時，透氣孔較大的流速破壞第二尾渦區，不再出現典型的兩尾渦區結構。③變結構透氣量時環帆傘阻力特性隨環片數量的增加而增大；氣動靜穩定性則會受環片數量改變導致的尾渦分布、透氣量等因素變化的影響。根據本文的計算結果，環片數量為4 的環帆傘阻力性能和穩定性能更好。