不同地面條件重裝空投氣囊著陸緩沖過程數值分析

連偉欣，侯斌，孫建紅，2，王從磊，張彤

（1.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實驗室，南京 210016）

（2.南京航空航天大學宏光空降空投聯合技術中心，南京 210016）

（3.航空工業宏光空降裝備有限公司，南京 210022）

0 引 言

空投是指使用降落傘、制動火箭、緩沖氣囊等裝置將物資投放至指定位置的一種空中投送技術，具有精準安全等特點，在現代戰爭、軍事演練及抗震救災中應用廣泛。空投的工作過程一般分為：運輸機引導傘拉出階段、傘繩拉直階段、主傘充氣階段、穩定下降階段以及著陸緩沖階段。桂冰穎研究了貨物在牽引傘作用下沿艙內軌道滑動時對飛機姿態的影響，建立了機—貨二體系統動力學模型；張恒銘等建立了貨物連續出艙分析模型用于研究貨物連續出艙對飛機姿態的影響；李智針對運輸機超低空空投時大氣擾動現象提出了擾動補償控制法；馮傳奇等采用任意拉格朗日—歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler，簡稱ALE）有限元方法對某型重裝空投降落傘的充氣過程進行了研究；湯健華建立了車載炮空投系統的主傘拉直、充氣、穩定階段的動力學模型；K. J. Desa?brais 等對某型沖壓空氣降落傘進行了風洞和空投試驗，建立了降落傘空氣動力學性能與織物透氣性之間的關系。目前國內外一般采用數值模擬的方法對空投的著陸緩沖性能進行研究。

國內外研究人員對不同著陸環境下空投著陸緩沖過程進行了大量數值研究。厲尚書對空投魚雷入水進行了數值模擬研究，探究了空投魚雷材料、入水速度對空投魚雷沖擊響應的影響；趙慶新等對波浪條件下空投自主式水下運載器低速入水進行了研究，指出波浪環境下運載器受力大于靜水環境，同時還研究了波浪參數、風速、空投入水姿態對空投運載器入水沖擊性能的影響；王一波等使用控制體積法（Control Volume，簡稱CV）研究了小型電子設備著陸緩沖氣囊沖擊剛性地面的過程；唐曉慧等在剛性地面假設下對空投系統氣囊緩沖過程及貨臺與地面的碰撞過程進行了理論推導，探究了地面摩擦力對具有側向速度的空投系統穩定性的影響；A.Taylor 等結合土壤地面探索了重裝空投安全氣囊沖擊衰減系統的適用性；王新春研究了橫風干擾和著陸地面彈塑性對空投車載火箭炮著陸過程的影響，其所選用的地面模型為實砂土地面；吳磊使用了包括粉土、強風化粉砂巖以及中風化砂巖在內的三種地面材料對重型空投裝備的著陸過程進行了分析；E.Fasanella 等開發了可用于外太空星球探測器著陸過程研究的軟土有限元模型；Chen Jin?bao 等研究了月球土壤變形對月球探測器著陸過程穩定性的影響。國內外針對超大型或者重型裝備空投的數值研究一般基于剛性地面假設，這與空投復雜的工作環境不甚相符，國內外對復雜環境下空投著陸性能研究的需求越來越迫切，但這方面的研究并不充分。

基于對復雜環境下空投著陸性能的研究需求，本文針對不同著陸環境，重點研究彈塑性土壤地面和剛性地面下空投系統的沖擊性能，分析土壤地面下不同速度對空投系統沖擊性能的影響，以期為重裝空投試驗提供一定的理論參考和技術支撐。

1 計算方法與驗證

1.1 計算方法

本文采用CV 法模擬空投系統中氣囊的緩沖過程。假定囊內氣體為理想氣體且壓力、溫度均勻分布，并忽略氣囊內外的熱量交換。氣囊內部氣體方程：

式中：為氣囊內部氣體壓力；為氣囊內部氣體密度；為比內能；為氣囊體積；下標和+1 表示氣囊內部氣體變化前后的狀態；為氣體絕熱常數。

土壤模型為ANSYS/LS-DYNA 模塊提供的MATl47（MAT_FHWA_SOIL）材料模型，同時采用該模塊提供的接觸算法，該模型考慮了土壤的孔隙率應變硬化以及應變軟化等問題。土壤模型的主要材料參數如表1 所示。

表1 土壤模型的主要材料參數［17-18］Table 1 Material parameters of soil model［17-18］

1.2 算例驗證

采用文獻［21］中緩沖氣囊的室內跌落試驗對仿真建模方法進行驗證。配重平臺質量為435 kg，網格大小為0.02 m。氣囊和地面均為殼單元，剛性地面固定不動。

計算工況：豎直著陸初速度為6 m/s，大氣壓力為101.325 kPa，氣囊初始表壓為0.54 kPa。試驗數據與仿真結果對比如圖1 所示，可以看出：過載峰值出現的時刻差異很小，兩條曲線趨勢一致，證明數值方法可以滿足要求。

圖1 試驗數據與仿真結果對比Fig.1 Experimental data and simulation results

2 地面條件對沖擊性能的影響

2.1 計算模型

本文的空投系統結構示意圖如圖2 所示，其有限元模型如圖3（a）所示，剛性地面和土壤地面的有限元模型分別如圖3（b）和圖3（c）所示。土壤模型網格加密示意圖如圖4 所示，加密區域的網格大小為0.04 m，網格向其他方向漸疏，土壤模型非撞擊的五個表面的邊界條件為無反射邊界條件。貨物的質量為7 190 kg，貨臺的質量為1 500 kg，貨物和貨臺剛性連接。六個圓柱體氣囊的上層黏合于各自對應的上、下墊板，圓柱氣囊周向均勻分布六個排氣口，位置如圖5 所示。

圖2 空投模型結構示意圖Fig.2 Airdrop model

圖3 空投系統的有限元模型Fig.3 Finite element models of airdrop

圖4 土壤模型網格加密示意圖Fig.4 Schematic diagram of grid densification of soil model

圖5 氣囊編號及排氣孔位置示意圖Fig.5 Airbag number and vent position

2.2 地面模型與橫風影響

首先選取剛性地面和土壤地面探究不同地面模型對空投系統著陸緩沖性能的影響。分兩種工況對空投系統的緩沖性能進行研究，具體分析工況如表2 所示。

（1）豎直著陸沖擊：空投系統著陸于地面，豎直著陸速度v=8 m/s，無橫風。

（2）前傾著陸沖擊：空投系統著陸于地面，豎直著陸速度v=8 m/s，橫向風速v=4 m/s，方向為軸正向。

表2 不同地面模型及工況列表Table 2 Working conditions list

豎直著陸、前傾著陸沖擊工況下，剛性地面模型與土壤地面模型不同時刻空投系統姿態對比如圖6～圖7 所示。空投系統撞擊地面的過程可分為氣囊接地緩沖階段、首次撞擊地面階段、首次回彈階段、衰減撞擊與回彈階段，靜止狀態。

圖6 豎直著陸沖擊時剛體地面（上）與土壤地面（下）空投系統姿態對比Fig.6 Vertical landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

圖7 前傾著陸沖擊時剛體地面（上）與土壤地面（下）空投系統姿態對比Fig.7 Forward landing attitude comparison between rigid（upper）and soil ground（lower）

兩種地面模型下貨物豎直方向過載對比及局部放大圖如圖8 所示。兩種地面模型下貨物豎直方向速度對比及局部放大圖如圖9 所示。兩種地面模型下貨物旋轉角度（繞軸順時針旋轉為正）和1 號氣囊壓力對比圖分別如圖10～圖11 所示。

圖8 兩種地面狀態下貨物豎向過載對比Fig.8 Vertical overload comparison of cargo between two ground model

圖9 兩種地面狀態下貨物豎向速度對比Fig.9 Vertical velocity comparison of cargo between two ground model

圖10 貨物旋轉角度對比Fig.10 Rotation angle comparison of cargo between two ground model

圖11 1 號氣囊壓力對比Fig.11 Pressure comparison of airbag 1 between two ground model

氣囊接地緩沖階段貨臺只受來自氣囊的力，以1 號氣囊為例（圖11），在該時間段內由于剛性下墊板撞擊地面時劇烈回彈而導致剛性地面下氣囊壓力大于土壤地面下氣囊的壓力，最終導致兩種典型工況下貨臺撞擊剛性地面的時刻晚于撞擊土壤地面的時刻，且剛性地面下貨物撞擊地面時的豎向速度小于土壤地面的豎向速度。初始豎向速度相同時，橫風影響下貨物和貨臺會因氣囊的拉力和支持力而發生偏轉（圖7（c）），更早撞擊地面。

貨臺撞擊地面時進入首次撞擊地面階段，貨物豎直方向的過載迅速增大。剛性地面與土壤地面兩種典型工況下空投系統重要參數對比如表3所示，可以看出：雖然貨臺撞擊土壤地面時的豎向速度大于撞擊剛性地面時的豎向速度，但土壤地面的變形效應（如圖12 所示）使得豎直沖擊時，土壤地面下貨物的峰值過載與剛性地面下貨物的豎直方向最大過載差異不大（5.26%）；橫風影響下，土壤地面下貨物的豎直方向最大過載小于剛性地面下的最大過載，差異為21.54%。

表3 剛性地面與土壤地面兩種典型工況下空投系統重要參數對比Table 3 Key parameters comparison of airdrop system between rigid and soil ground

圖12 空投系統沖擊過程中對土壤地面的侵徹和破壞現象Fig.12 Phenomenon of penetration and damage of soil

巨大的沖擊力會使空投系統發生首次回彈。從圖9（a）可以看出：兩種典型工況下，空投系統會在重力的作用下再次撞擊土壤地面，但不會劇烈地回彈，將逐漸達到靜止狀態；剛性地面下空投系統在經歷衰減撞擊與回彈后逐漸達到靜止狀態（圖6（f））。

從圖10 可以看出：在橫風影響下，空投系統在沖擊過程中會發生旋轉，但不會發生側翻。

3 橫風速度對空投沖擊性能的影響

使用土壤地面模型對豎直著陸、前傾著陸沖擊工況進行探究，研究工況如表4 所示。

表4 土壤地面下工況列表Table 4 Working conditions list of soil landing

貨物的豎向加速度、橫向（向）速度以及貨物旋轉角度對比分別如圖13～圖15 所示。

圖13 貨物z 向過載對比Fig.13 Comparison of vertical acceleration

圖14 貨物橫向（y 向）速度對比Fig.14 Comparison of lateral velocity

圖15 貨物旋轉角度對比Fig.15 Comparison of rotation angle

從圖13 可以看出：當空投系統的初始豎直速度相同時，橫向風速越大，貨臺撞擊地面的時刻越早、貨臺第一次撞擊階段貨物豎直方向的峰值過載越大；當橫風速度相同時，初始豎直速度越大，貨物豎直方向的峰值過載越大。

從圖14～圖15 可以看出：六種典型工況下空投系統都會經歷氣囊接地緩沖階段、首次撞擊地面階段、首次回彈階段、衰減撞擊與回彈階段，逐漸達到靜止狀態；橫風影響下的空投系統在衰減撞擊與回彈階段不會劇烈地回彈，也不會發生側翻，滿足空投系統的安全條件。

各工況下貨物關鍵參數對比如表5 所示。

表5 各工況下貨物關鍵參數對比Table 5 Comparison of key parameters

4 結 論

（1）空投系統豎直沖擊地面時，兩種地面模型下貨物的最大過載差異很小（5.26%）；空投系統在橫風影響下沖擊地面時，剛性地面下貨物的最大過載與土壤地面模型差異很大，達到21.54%。故在研究橫風對空投的地面緩沖性能的影響時，剛性地面假設不適用，需考慮土壤地面的變形效應。

（2）土壤地面下，空投系統的初始豎向速度相同時，橫向風速越大，豎向峰值過載越大；橫向風速相同時，初始豎向速度越大，豎向峰值過載越大。橫風影響下的空投系統均不會側翻，滿足空投系統安全條件。