無傘精確空投模式下飄帶試驗研究

蘭文昌，王中陽，王申奧

（航空工業航宇救生裝備有限公司航空防護救生技術航空科技重點實驗室，襄陽441003）

隨著中國自行設計研制的大型水陸兩棲飛機成功實現水上首飛起降，國內開展了大型水陸兩棲飛機海上救援、森林滅火、海洋巡察等多項特征任務研究。海上救援[1]任務研究包括水陸兩棲飛機及配套救援裝備在海上救援作業時的應用模式研究、海上救援低成本精確空投技術研究、海上著水救援起降安全性及流程技術研究等。基于無傘精確空投模式的飄帶研究也屬于海上救援低成本精確空投技術的研究內容之一。

水陸兩棲飛機載重量大，攜帶救援物資方便，但抗浪水平不高于2 m，通常在3 級海況以下開展施救。在3 級以上海況時，空投救援物資以支持遇險人員開展自救互救是一項有力的救援手段。為防止空投物包裝在空投過程中破損，根據現有空投需求、相關救生物資產品實物以及空投過程中空投物空投過載和沖擊與質量的關系，空投救援物資的質量一般不大于50 kg[2]。空投的救援物資包括飲用水、食品、藥品、救生船和各類救生物品包，而用于自救互救的技術范圍主要是止血、包扎、固定等簡單的急救措施，此時空投物資主要是應急食品、急救藥品和耗材等小物質，為遇險人員自救互救提供物質條件，進而穩定其生命體征和心理素質，最終提高生還率、低傷死率和傷殘率[3]。

飄帶是一種空投物資的減速裝置，相對降落傘，具有受風力影響較小、空投物資振動角度較小、包裝簡單、空投快捷等優點，是小物質精確空投的有效措施。文獻[4]中對織物飄帶的拖動特性進行了深入研究。文獻[5-6]中進行了飄帶穩定器實驗，以改善火箭彈的空氣動力特性?；陲h帶的優良特性，美軍設計了SPARK 輕型急救包，為待救人員提供自救互救的救援物資。它采用橘紅色長飄帶減速著陸，質量為2.72 kg，包裝體積為330 mm×254 mm×114 mm，如圖1 所示。

圖1 SPARK 輕型急救包Fig.1 SPARK light first-aid bag

國內也有使用飄帶作為子母彈中子彈減速裝置的研究[7-9]。飄帶在氣流作用下打開，穩定子彈的飛行姿態，使彈軸與地面的夾角基本保持垂直。但采用飄帶作為減速裝置空投物資的成熟產品較少。本文利用空氣動力學理論，設計了一款基于無傘精確空投模式的空投物品包，研究了飄帶的空氣動力學特性，以滿足水陸兩棲飛機在典型海況下空投救援物資的需求。

1 分析與實施

1.1 空投物品清單

依據國家突發事件應對法和突發公共事件醫療衛生救援應急預案中的原則與方法，按照不同海難類型，依托海難飛機救援食品藥品的遴選原則，配備側重點不同的救援食品、藥品和耗材。為滿足采購需要，選擇貨架成品，根據相關救生系統對飛行人員救生物品及個體防護裝具配備要求，對空投物品作了選擇，按兩人24 h 配置的救生物品具體內容如表1 所示。

1.2 空投物品包

空投物品包主要由物品包和飄帶組成，如圖2所示。其中物品包用來包裝救生物品、浮板和飄帶，投放時飄帶在空中展開，為物品包提供阻力，保證可接受的下落速度。

飄帶通常成“Z”型折疊放置在物品包中。在投放物品包時，飄帶末端的掛點和保險繩受物品包重力牽引，將飄帶從物品包中拉出。飄帶拉直后，保險繩受力過大而斷裂。展開的飄帶表面受到空氣的摩擦，在空中劇烈顫動，產生阻力。飄帶產生的阻力減小了物品包的下落速度和擺動角度，最終降落到預定地點。

表1 空投物品清單Table 1 List of airdrop goods

圖2 空投物品包的結構Fig.2 Structure of airdrop bag

在典型海況下，依托水陸兩棲飛機投放小質量救援物資，供遇險人員自救互救，降低傷死率和傷殘率。參照美國SPARK 輕型急救包的性能要求，擬定的空投物品包的主要技術指標為：系統質量≤3 kg、包裝體積≤330 mm×220 mm×80 mm、空投機速150～220 km / h、空投高度100～300 m、下落速度≤18 m/s。

1.3 結構設計

1.3.1 物品包結構設計

物品包分為外層和內層。外層通過勾帶絨帶粘合，用于收納飄帶；內層通過拉鏈拉合，內層分置多個口袋，用于存放救援物資，口袋下方設置夾層，內部放置浮板，為救援物資提供緩沖，并保證物品包入水后浮起，方便打撈和使用。物品包內部結構如圖3 所示。

按表1 統計的無傘空投物品包飄帶空投物品的質量為1.47 kg；浮板選用PEP 材料，密度為20 kg/m3，質量為0.03 kg；物品包主部材料采用錦絲帆綢，估算的物品包質量為0.37 kg；飄帶采用錦絲帆綢、滌絲綢等，估算其最大質量為0.65 kg。綜上，空投物品包總質量為2.52 kg。

圖3 物品包內部結構Fig.3 Internal structure of airdrop bag

為保證物品質量在包內均勻布局，按照救援物資的體積和質量設置救援物資布局，物品需要的空間尺寸為330 mm×220 mm×30 mm；浮板的體積為330 mm×220 mm×20 mm。綜上，物品包體積為330 mm×220 mm×50 mm。依據密度公式，計算空投物品包的密度為694.21 kg/m3，小于海水的密度1 025 kg/m3，物品包可以在海水中浮起。

1.3.2 飄帶設計

文獻[4]中討論飄帶阻力時指出，飄帶表面的摩擦力只占飄帶阻力很小一部分，飄帶阻力很大部分來源于飄帶顫振。決定飄帶阻力大小的因素為飄帶的長寬比和飄帶單位面積織物的質量。

飄帶阻力系數（Drag coefficient）C 是飄帶阻力的關鍵參數，國內已有針對此內容的初步研究[10]。依據文獻[11]中對長寬比（L/W）在4～75 范圍內的飄帶的研究，飄帶的阻力系數C 與飄帶的長寬比符合線性增加函數，如圖4 所示。經曲線擬合得到

圖4 飄帶阻力系數與長寬比曲線Fig.4 Ribbon resistance coefficient versus lenght-width ratio

根據降落傘技術導論[12]，飄帶在空氣中產生的阻力為

式中：Q 為物體產生的空氣阻力，N；ρ 為空氣密度,kg/m3；v 為物體的速度,m/s；A 為物體的面積，m2。

圖5 飄帶的結構[13]Fig.5 Structure of ribbon[13]

圖6 鼓風兜裁片Fig.6 Cut-parts of air pocket

為研究Hoerner 提出飄帶單位面積織物的重量對飄帶阻力大小的影響，試驗中飄帶采用了44190 晶格綢和520 錦絲帆綢兩種材料制作，這兩種材料的主要機械性能見表2。

表2 飄帶材料的機械性能Table 2 Mechanical properties of ribbon materials

文中設計了4 種飄帶（表3）以研究其特性，其外形如圖7～9 所示，物品包外形如圖10～11所示。

表3 飄帶的主要特征Table 3 Key features of ribbon

圖7 飄帶1(藍色)和飄帶2(橘色)Fig.7 Ribbon 1 (Blue)and Ribbon 2 (Orange)

圖8 飄帶3Fig.8 Ribbon 3

圖9 飄帶4Fig.9 Ribbon 4

圖10 空投物品包(飄帶3)Fig.10 Airdrop bag(Ribbon 3)

圖11 空投物品包(飄帶4)Fig.11 Airdrop bag(Ribbon 4)

2 試驗方法

文中采用傘塔靜態投放方法研究飄帶的著陸速度。在物品包內放置的配重物品為鉛塊和石子。試驗員站在高度為120 m 的塔頂，將飄帶和下端的物品包自由展開，試驗員拉緊飄帶頂端，在收到投放命令后，松開飄帶頂端，飄帶在空中自由飄落。試驗過程中記錄了當時當地氣壓和風速，用普通攝像機記錄飄帶的下落過程，圖12 為試驗現場圖。

圖12 傘塔投放試驗Fig.12 Flag-dropping test of tower

按式（1～2）初步計算出4 種飄帶在距離地面最小23 m 處達到穩定下降狀態，因此試驗中通過高速攝像機（250 幀）判讀飄帶在著陸點上空15 m內的平均落速可行。運用攝影測量學[14-16]，應用Funimate Video Editor 軟件按以下兩步驟判讀飄帶在著陸點上空15 m 內的平均落速。

2.1 像平面坐標系

像平面坐標系oxy 以影像幾何中心o 為原點，x，y 軸分別平行于影像畫幅邊緣線，如圖13 所示。像空間坐標系用于描述像點、投影中心的空間位置，其原點為圖像投影中心S，z 軸正向為攝影方向的反方向，與oS 重合。通過點S 作平行于像片上x、y 軸的軸線即為像空間坐標系的X、Y 軸，與Z 軸組成像空間直角坐標系S-XYZ。在此坐標系中，每一個像點的Z 坐標都等于攝影主距，當沒有特別要求時，一般以攝影焦距f 表示, 但符號為負。

圖13 像平面坐標系和像空間坐標系Fig.13 Image plane coordinate system and image space coordinate system

2.2 平均落速計算

假定攝像機拍攝頻率為1/t，在物體落點處豎立標尺, 標尺上垂直方向的參考間距L0為1 m，標尺在像平面坐標系中，參考間距L0垂直方向的像素點距為y1-y0；計算機在物體上標記參考點A。物體在像空間坐標系中，參考點A 前后幀的空間位置分別為(Xn-1,Yn-1)和(Xn,Yn)。物體在像空間坐標系中，參考點A 前后幀垂直方向的像素點距為（yn-yn-1）。通過計算機數值解算，可求出（y1-y0,yn-yn-1）。物體第n 幀在空間中的實際下落距離Ln滿足

因此，物體第n 幀的落速為Vn=Ln/t。依此，求出著陸點上空15 m 內所有典型幀的落速，取平均值為飄帶單次試驗的平均落速。

3 結果分析討論

3.1 傘塔投放試驗結果

傘塔投放時，在傘塔頂對每種飄帶投放2 次，取2 次落速的平均值。表4 給出了空投物品包投放試驗結果。

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表4 空投物品包投放試驗結果Table 4 Flag?dropping test results of airdrop bag

文中使用的飄帶選取了不同的材質，飄帶的制作相對于降落傘更為簡單方便。研究過程中開展了樣件試制和空投試驗驗證，無論是空投1.5 kg 的物資還是3.5 kg 的物資，其著陸速度均滿足不大于18 m/s 的指標要求，落點范圍小，圓滿完成了應用無傘空投物品包低成本、輕量化空投小物質救援物品的任務，達到了預定效果。

3.2 飄帶阻力特性

根據傘塔投放試驗結果，按式（2）推算飄帶的阻力特性CA 試驗值，計算結果如表5 所示。計算時認為飄帶產生的空氣阻力Q 與系統重量mg 相等，即物品包勻速著陸，物品包產生的阻力忽略不計。

表5 飄帶阻力特性試驗結果Table 5 Test results of ribbon resistence characteristics

由于飄帶3 和飄帶4 配備鼓風兜，不能用飄帶面積計算飄帶的阻力系數試驗值。根據表5，若忽略鼓風兜對飄帶自身阻力特征的影響，可用飄帶2的阻力特征(CA)2試驗值與飄帶4 的阻力特征(CA)4試驗值，簡單推算單個鼓風兜的阻力特征為

根據式（4）計算的單個鼓風兜阻力特征CA 為0.019 m2。

觀察無鼓風兜的飄帶空投物品包的下落過程可以看出：在下落初期，飄帶劇烈顫振，在物品包端不斷產生波峰，同一時刻飄帶上可存在多個波幅較小的波峰，波峰快速向飄帶的末端移動，隨著飄帶的剪尾小幅擺動后依次消失。在空投物品包下落后期，飄帶的顫振平緩，每間隔一定的時間，飄帶上產生一個波幅較大的波峰，波峰緩慢向飄帶末端移動，并隨著飄帶剪尾大幅擺動后消失。圖14 給出了下落后期典型波峰在飄帶上“產生—移動—消失”的過程，波峰從產生到消失經歷了約25 ms。下落初期空投物品包受重力作用，加速向下運動，速度越來越快，此時飄帶顫振劇烈；下落后期空投物品包在飄帶產生的阻力作用下，速度越來越小并趨于穩定，此時飄帶顫振柔和?？胀段锲钒乃俣扰c飄帶的顫振密切相關，可以認為飄帶的顫振越劇烈，產生的阻力越大，這也印證了Hoerner 提出的飄帶阻力主要來源于飄帶的顫振。

圖14 無鼓風兜飄帶下落后期實況圖Fig.14 Actual pictures of later falling stage of ribbon with-out air pocket

觀察有鼓風兜的飄帶空投物品包的下落過程可知，飄帶波峰只在鼓風兜與飄帶的末端產生，充氣飽滿的鼓風兜是飄帶阻力的主要來源。圖15 給出配備鼓風兜的飄帶下落后期典型波峰“產生—移動—消失”的過程，波峰從產生到消失經歷了約32 ms。

圖15 有鼓風兜飄帶飄帶下落后期實況圖Fig.15 Actual pictures of later falling stage of ribbon with air pocket

文中設計的飄帶長寬比為18～20，均在文獻[11]研究的4～75 范圍內[11]。在理論設計階段，運用了文獻[11]給出的阻力系數函數，計算了飄帶穩定下降時距地面的最低高度，為高速攝像機判讀飄帶在著陸點上空的平均落速提供了依據。特別是飄帶2 的阻力系數理論值為0.059，試驗值為0.044，兩者相差不大。試驗說明采用文獻[11]中給出的阻力系數函數初步判定穩降高度可行，其基于飄帶長寬比的阻力系數函數具有較強的工程指導意義。

文獻[4]中指出飄帶單位面積織物的重量是決定飄帶阻力大小的因素之一。文中根據式（2）計算了飄帶1 和飄帶2 的阻力系數試驗值分別為0.027 和0.044，說明飄帶單位面積織物的重量越大，提供的阻力越大，這是對Hoerner 理論[4]的有益拓展。

文獻[11]在擬合基于飄帶長寬比的阻力系數函數時，采用了多種長寬比的飄帶，但均是由一種錦絲材料制成[11]。而本文中飄帶采用了44190 晶格綢和520 錦絲帆綢兩種材料，其中44190 晶格綢（65 g/m2）為單位面積織物質量較輕的滌絲綢，遠小于520 錦絲帆綢（300 g/m2）。這是造成飄帶1 的阻力系數試驗值（0.027）與計算值（0.059）偏差較大的原因。

本文在飄帶上設置的鼓風兜可有效減小物品包著陸速度并增加投放質量。通過對試驗結果分析，計算出單個鼓風兜的阻力特征為0.019 m2，對后續飄帶鼓風兜設計有一定的參考價值。

文中設計的飄帶遵循了以下幾項原則：飄帶的尾端有切角，飄帶的材料結構均為平紋，飄帶的長度大于物品包高度10 倍以上，飄帶的首個鼓風兜與物品包的距離是飄帶長度的1/3 等。這幾項原則的原理機制將是作者未來的研究方向。

4 結 論

本文通過空投物品包的設計、制作、傘塔投放、高速攝像機記錄和Funimate Video Editor 判讀等，得到了不同配重的物品包的落速，并研究了飄帶的氣動特性。結果表明：

（1）飄帶的阻力主要來源于飄帶顫振，空投系統加速運動時，飄帶顫振頻率快、振幅?。粍蛩龠\動時，飄帶的顫振頻率慢、振幅大。

（2）飄帶的阻力系數與飄帶的長寬比相關，飄帶單位面積織物的重量越大，飄帶的阻力系數越接近文獻[11]中給出的飄帶阻力系數C[11]。

（3）飄帶上設置鼓風兜可有效增大飄帶阻力。通過傘塔投放試驗結果計算的單個鼓風兜阻力特性為后續飄帶鼓風兜設計提供了參考。

致謝：感謝航空工業航宇救生裝備有限公司技術中心王璐研究員、試驗部張衛生高工、試驗部洪淼高工、二分廠郭俊琴技師在本文研究過程中提供的指導和幫助！