基于風洞試驗的組合翼傘氣動特性研究

楊鋒魁，劉 琦

(1.航空工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；2.航空防護救生技術航空科技重點試驗室，湖北 襄陽 441003)

沖壓式翼傘(后統稱翼傘)由傘衣、傘繩、操縱繩、穩定面、收口裝置、吊帶等組成[1]，因其獨有的可操縱性和良好的滑翔性能和穩定性，被廣泛應用于精確空投領域，但是大型翼傘的制造、組裝、包裝和回收過程需要大量的時間，而且相當復雜。相對于常規翼傘，組合翼傘可以有效解決超大型翼傘在加工、使用、維護方面存在的一系列問題，在重裝精確空投領域擁有廣闊的應用前景。

翼傘氣動特性研究方法主要包括計算機仿真計算、風洞試驗和空投試驗。20世紀60年代，美國開始針對翼傘進行了經典的風洞試驗研究[2]，并在20世紀80年代補充了大量的空投試驗。2007年美國陸軍士兵研究開發和工程中心(Natick)與Para-Flite公司研制的組合翼傘Megafly的成功開傘、充氣、飛行和導航驗證了組合翼傘設計的可行性[3]。國內目前開展的翼傘研究主要針對常規翼傘，并且開展翼傘風洞試驗較少且大多采用半剛性模型風洞試驗[4-6]，文獻[7]采用空投試驗進行翼傘的研究；文獻[8]～文獻[16]利用計算機仿真技術研究翼型結構等因素對翼傘氣動性能的影響，這是目前采用最多的方法。總的來說，國內針對組合翼傘氣動特性的研究比較匱乏，制約著國內超大型翼傘設計領域的發展。

筆者通過設計柔性組合翼傘試驗模型(16 m2)在國內的8 m×6 m直流開口式風洞中開展試驗，主要研究組合翼傘在不同迎角下的升力系數、阻力系數、俯仰力矩系數變化情況。本次風洞試驗采取光測實際迎角、六分量天平測氣動力(矩)的方式，有效獲取了組合翼傘的真實氣動數據。通過分析組合翼傘的氣動特性，為組合翼傘的仿真計算提供依據，并對未來超大型組合翼傘的設計進行開拓性探索。

1 組合翼傘試驗模型設計

1.1 組合翼傘方案

國內外相關資料研究表明，20 t級精確空投系統翼傘面積預計將達到1000 m2級別，由于大型翼傘具有面積大、質量大的特點，在加工生產、包裝使用、回收維護等方面都存在一系列問題。國外已開展大型組合翼傘的探索研究，借鑒常規重裝空投系統中群傘設計理念，使用模塊組合的方式來進行大型翼傘的設計。該思路可以有效解決大型翼傘在加工、使用、維護方面存在的一系列問題。

采用模塊組合的方式來進行大型翼傘的設計，使組合翼傘與常規翼傘的結構存在較大差異。組合翼傘的組合方式、位置和組合模塊的數量等均會引起沖壓翼傘氣動性能的變化，因此本文借助風洞試驗開展組合翼傘的氣動特性研究。

1.2 組合翼傘具體設計

參考風洞試驗模型應滿足低速風洞對模型阻塞度的要求，試驗模型的最大迎風面積不超過風洞試驗段橫截面積的5%，結合本次風洞試驗場地特征，確定本次風洞試驗所用模型為16 m2組合翼傘，并確定其設計方案,其結構如圖1所示。

圖1 16 m2組合翼傘

1.2.1 組合翼傘的模塊化設計

本研究涉及組合翼傘分3個模塊進行設計，其中左右兩個模塊各包含2個氣室，中間模塊包含3個氣室，相鄰模塊的組合方式通過上、下翼面設置連接點進行連接，在連接點位置設置連接扣，再通過快卸式連接繩進行連接，以便能夠快速固定和分離，將3個模塊拼接在一起形成組合翼傘。

1.2.2 組合翼傘基本結構參數

組合翼傘由3個模塊7個氣室組成，展長為5.824 m，弦長為2.759 m，傘繩特征長度為3.241 m，傘衣安裝角為5°，傘繩數量40根，無滑布。翼面采用矩形，傘衣選用不透氣的涂層織物制成上、下翼面，中間連以具有翼型的肋片，傘衣前緣開有切口便于空氣進入形成氣室。為了減少傘繩對試驗的干擾，每個翼傘模塊采取承載肋片和成型肋片交替使用的方式進行翼傘模塊的設計。

為了提高組合翼傘迎角轉變跟隨性，同時滿足試驗對象置于風洞中心的要求，采用傘繩截斷方式進行設計，傘繩截斷后特征長度為2.865 m，截斷后的傘繩與傘繩安裝框架上的安裝位置一一對應。選用傘繩直徑為2 mm，截斷部分相對組合翼傘整體阻力可忽略不計，對組合翼傘升力無影響，對氣動力測量的影響可忽略不計。

2 試驗方案

2.1 試驗方案選擇

目前常用的翼傘氣動特性分析手段包括計算機仿真計算、風洞試驗和空投試驗。仿真計算結果精度往往取決于對復雜流場仿真前置處理時的邊界條件、物性參數等的定義是否與實際一致，一般需要參考風洞試驗數據才能確保仿真結果的準確性。空投試驗一般只能獲得翼傘運動狀態(軌跡、姿態、航向)的變化，無法獲得氣動數據。風洞試驗需在室內進行，具有效率高、成本低和試驗數據精確度高等優點，比較適合本研究，因此選用風洞試驗開展組合翼傘氣動特性研究。

2.2 風洞試驗具體方案

通過雙支桿腹部支撐裝置調節傘繩安裝框架的角度，實現對翼傘迎角的調節。利用光測設備測出試驗翼傘上標記點動態坐標，計算出翼傘實際迎角。六分量天平信號通過導線傳輸至采集設備進行采集，然后通過網線和交換機將數據傳輸至計算機存儲，最終經過數據處理測出不同迎角下組合翼傘的氣動力(矩)系數。

2.2.1 試驗件安裝方案

試驗臺架和試驗件包含底座、雙支桿腹部支撐裝置、天平、傘繩安裝框架和組合翼傘。首先將試驗底座按要求擺放至風洞試驗段合適位置，并將雙支桿腹部支撐裝置固定在底座上。按照天平浮動框與轉接件安裝要求,在地面將天平與傘繩安裝框架完成安裝后，再把組合翼傘安裝在傘繩安裝框架上，傘繩提前預留好長度，直接利用繩扣鎖住即可。利用一個矩形框架和4根牽頂繩，在組合翼傘上翼面合適位置為組合翼傘牽頂，便于組合翼傘充氣并減少開傘過程中傘繩鉤掛。最后利用行吊將矩形框架、組合翼傘、傘繩安裝框架和天平整體吊起，吊起過程中利用升降車輔助托起傘繩安裝框架，最終通過螺釘將天平和傘繩安裝框架固定在雙支桿腹部支撐裝置上，完成試驗件的安裝。試驗件安裝方案如圖2所示。

圖2 試驗件安裝方案

2.2.2 測試方案

測試方案主要用于測試在不同迎角下組合翼傘的升阻力(矩)參數，包括迎角測試和氣動力(矩)測試，具體如下。

① 迎角測試方案。采用光學測試的方法，3臺高速攝像機分散布置在風洞試驗場地合適位置，拍攝組合翼傘上提前標記好的特征點，通過前方交會計算各特征點坐標。計算處理得到標記特征點動態坐標，最終可以計算出翼傘在穩定狀態下的實際迎角。

② 氣動力(矩)測試方案。采用六分量天平獲取組合翼傘在不同迎角狀態下的氣動力(矩)數據，天平信號通過導線傳輸至采集設備DH5902進行采集，然后通過網線和交換機將數據傳輸至計算機存儲處理。

為保證兩測試方案在時間維度上的統一，采用一套時統控制盒提供光測高速視頻啟動信號并同時通過電測測試設備采集，實現測試數據時間上的統一。

3 試驗內容

3.1 組合翼傘變迎角吹風試驗概述

組合翼傘變迎角吹風試驗如圖3所示。試驗開始前先將支撐裝置阿爾法機構角度設置為預定角度，給定一個小風速使組合翼傘氣室初步充氣，確保無異常后加大至預設風速并保持穩定，利用時統控制盒同時觸發光測和天平測試系統，即可采集此狀態下的原始光測數據和天平測試氣動力(矩)數據。

圖3 組合翼傘變迎角吹風試驗

3.2 組合翼傘變迎角吹風試驗過程

開展組合翼傘風洞試驗，要求試驗穩定風速20 m/s，設置支撐裝置阿爾法機構角度為-30°、-20°、-10°、-5°、0°、5°、10°、20°，試驗步驟如圖4所示。

圖4 變迎角吹風試驗步驟

4 試驗數據處理及分析

4.1 坐標系定義

坐標軸系如圖5所示，天平坐標系原點Oq位于天平的中心，翼傘質心處風軸系原點Os位于翼傘模型的中間對稱翼剖面的參考翼弦靠近前緣的1/4處，坐標系均采用右手系。其中，?′為組合翼傘的迎角。

圖5 坐標系定義

① 天平坐標系：OqXYZ，OqX軸沿天平安裝平面順風方向為正。

② 天平處風軸系：OqXqYqZq，OqXq軸沿來流方向為正。

③ 翼傘質心處風軸系：OsXsYsZs，OsXs軸沿來流方向為正。

OY軸垂直于對應坐標系的OX軸豎直向上，OZ軸按右手系確定。

4.2 試驗數據處理方法

試驗首先得到帶支架天平坐標系下的組合翼傘吹風數據，扣除空支架吹風數據，得到天平坐標系下組合翼傘吹風數據。

然后將天平坐標系數據轉換到天平處風軸系：

Yq=Ycosα-Xsinα

(1)

Xq=Xcosα-Ysinα

(2)

Mzq=Mz

(3)

Zq=Z

(4)

Myq=Mycosα+Mxsinα

(5)

Mxq=Mxcosα+Mysinα

(6)

最后將天平處風軸系數據轉換到質心處風軸系：

Ys=Yq

(7)

Xs=Xq

(8)

Mzs=Mzq+YqxE-XqyE

(9)

Zs=Zq

(10)

Mys=Myq-ZqxE-XqzE

(11)

Mxs=Mxq+YqzE-ZqyE

(12)

組合翼傘質心處風軸系下氣動力(力矩)系數換算公式為

(13)

式中：α為天平系與天平處風軸系X軸夾角；xE、yE、zE為以Oq為坐標原點Os的相對位置坐標；Cx為阻力系數；Cy為升力系數；Mz為俯仰力矩；ρ為流場中的空氣密度；v為流場中空氣速度；CMz為俯力矩系數。

本次試驗最終計算得到在不同迎角狀態下的風軸系中組合翼傘升力系數、阻力系數和俯仰力矩系數。

4.3 試驗結果

本次試驗最終獲取組合翼傘在不同迎角狀態下的質心處風軸系試驗數據8組，具體數據如表1所示。

表1 組合翼傘風洞試驗數據

4.4 試驗結果分析

不同迎角下，本次風洞試驗的組合翼傘在迎角為20°左右達到最大升力，最大升力系數不低于0.7。升力特性曲線變化趨勢隨著迎角的增大先近似線性增大達到失速迎角后緩慢減小，阻力特性曲線變化趨勢隨著迎角的增大緩慢增大，如圖6所示。

圖6 組合翼傘升阻力特性曲線

不同迎角下，本次風洞試驗組合翼傘升阻比特性曲線變化趨勢如圖7所示。在翼傘迎角常用設計范圍5°～20°狀態下組合翼傘升阻比應不低于3，由圖7可知，本設計符合翼傘升阻比設計要求。

圖7 組合翼傘升阻比特性曲線

不同迎角下，本次風洞試驗組合翼傘俯仰力矩系數特性曲線變化趨勢如圖8所示。俯仰力矩系數特性曲線在零點范圍波動，其絕對值不大于0.1。

圖8 組合翼傘俯仰力矩系數特性曲線

綜合以上分析，本次風洞試驗中組合翼傘俯仰力矩系數絕對值均不大于0.1，遠小于升力系數和阻力系數。本試驗組合翼傘最大升力系數不低于0.7，且滿足在常用設計迎角下的升阻比不低于3的要求。

5 結論

經過綜合分析，本次風洞試驗結論如下。

① 本次風洞試驗所涉及試驗原理和試驗設備可行，探索了一套可行的柔性翼傘風洞試驗方法，填補了目前國內組合翼傘風洞試驗數據的空白，為國內組合翼傘的理論研究積累了寶貴的試驗數據。

② 本次風洞試驗通過實測不同迎角下組合翼傘關鍵氣動力(矩)數據，研究組合翼傘氣動特性，為超大型組合翼傘仿真和設計提供理論支撐。

③ 本次風洞試驗組合翼傘模型最大升力迎角在20°左右，需要進一步優化模型結構，調整最大升力迎角適應工程應用。本研究對組合翼傘氣動特性進行了初步探索，后續擬進一步對組合翼傘操控特性開展研究。