自適應變阻力特征加油穩定傘設計及氣動特性研究

黃 霞，吳金華，劉志濤，郭林亮

(中國空氣動力研究與發展中心，四川，綿陽 621000)

軟式空中加油是目前國際上主流的加油方式，其中“軟管-錐套”系統是軟式加油的重要部件，位于錐套前端的穩定傘是其核心組成部分，主要功能是產生阻力，從加油吊艙中拉出“軟管-錐套”系統，當受油探頭與錐套的加油接頭對接時，增加捕捉范圍，提升軟管和錐套的穩定性[1-2]。

加油穩定傘有三個主要設計參數—傘撐角、傘衣面積和間隙面積，穩定傘的阻力特性與這三個參數密切相關。國內外針對穩定傘的阻力特性開展了大量的研究工作。Shigeo 等[3]建立了錐套的2D 模型，運用CFD 分析與獨特的2D 風洞試驗兩種方法，通過改變迎角分析了穩定傘各方向的受力情況。Kapseong 等[4-5]采用了一種全因子試驗方案，通過提取穩定傘三個主要參數，建立了穩定傘的參數化模型，并分別由風洞實驗和數值模擬得出了穩定傘阻力系數與此三個參數的近似解析關系式，為穩定傘設計提供了參考；之后又提出通過改變穩定傘支撐角來改變氣動阻力的觀點，并利用MATLAB /Simulink 對大氣紊流下的錐套運動進行了模擬，驗證了支撐角對氣動阻力的影響[6]。Andrew 等[7]研究了加油軟管的氣動彈性響應對穩定傘阻力特性的影響。García-Fogeda 等[2]通過在軟管與穩定傘連接處安裝控制面研究了軟管-錐套系統的動態響應。國內石超等[8]通過CFD 方法研究了錐套支柱數對錐套穩定傘阻力系數的影響；程小芩等[9]基于CFD 研究了國外某型錐套的氣動特性，通過改變錐套支撐臂數量、空速以及穩定傘面積3 個因素，構建了不同的三維子模型，利用數值計算分析了其對錐套氣動特性的影響，并探究了影響規律。

目前國內外所使用的加油穩定傘主要有兩類：第一類是恒定阻力特征穩定傘，加油過程中穩定傘的外形保持不變，阻力特征(即傘衣有效迎風面積)恒定，阻力值隨飛機飛行速度變化而發生改變，穩定傘與加油機的相對位置也隨之改變，受加油包線限制，無法同時滿足高速和低速飛機加油需求，通用性較差；第二類是可變阻力特征穩定傘，其基本設計思路是通過調節傘撐角或傘衣面積改變穩定傘阻力特征面積，使得穩定傘能在不同風速下保持恒定阻力，穩定傘下沉位置相對固定，以實現同一加油機平臺上同時滿足多型號飛機的加油需求。

目前國外已經發展了多種可變阻力特征技術，如雙層傘衣結構控制技術、活動骨架技術、更先進的自適應變阻技術等。雙層傘衣結構穩定傘擁有前后兩個傘衣，高速使用時為減小阻力特征使用其中一個傘衣作為迎風面，低速使用時為增大阻力特征使用兩個傘衣同時作為迎風面，這種結構方式在使用時需利用其他控制機構實現傘衣的轉換?；顒庸羌芊€定傘的骨架可根據需求增大或縮小，從而改變傘衣迎風面積，在使用時也需要控制機構實現骨架伸縮。文獻[10]給出了William 等設計的一種典型的活動骨架穩定傘，通過一套復雜的控制器來移動骨架。而自適應變阻穩定傘則是在結構中加入彈性元件，使得穩定傘所受風載發生變化時，彈性元件自適應控制傘衣迎風面積，而無須其他控制裝置。William 等[11-12]設計了多種彈簧骨架自適應變阻穩定傘，在骨架不同位置安裝彈簧來控制傘衣的移動。英國Cobham 公司則基于先進的骨架彈簧片技術研制出了多項可變阻力特征穩定傘供美國、歐洲客戶使用，實現在同一加油機平臺上同時滿足直升機和固定翼飛機加油的需求。該技術主要是通過彈簧片受載變形來調整傘衣迎風角，從而改變傘衣迎風面積，起到穩定阻力的作用。但是可能基于保密的原因，關于國外自適應變阻穩定傘的具體設計和相關氣動特性研究工作鮮有報道。

目前我國空中加油使用的穩定傘均為恒定阻力特征穩定傘，無法滿足多種飛機空中加油需求。在變阻穩定傘方面，近年來也有部分學者展開了研究。陳樂樂等[13]、吳成林[14]對某型主動控制式變傘撐角穩定傘的變阻過程進行了動態特性研究，仿真分析了穩定傘變阻時軟管－錐套系統的動態響應過程；周學[15]對比分析了國內外加油技術的發展趨勢，初步提出了可變阻力特征技術的研究方向。但在自適應變阻力特征穩定傘的氣動特性研究方面，國內仍鮮見研究。

由于自適應變阻力特征穩定傘氣動特性涉及流體、柔性織物、彈性元件變形等多方面的流固耦合問題，數值計算很難準確模擬[16-17]，因此開展風洞試驗研究是目前最為有效的手段?；诖?，本文采用骨架彈簧片原理，設計一種全新的自適應變阻加油穩定傘，并通過風洞測力試驗和變形測量技術研究不同彈簧片參數對其氣動特性的影響，驗證該設計方法的正確性。

1 自適應變阻力特征穩定傘設計

1.1 設計原理

本文基于骨架彈簧片原理設計自適應變阻力特征穩定傘。如圖1 所示，傘衣的骨架彈簧片因受力變形改變傘衣迎風角(彈簧片與氣流方向的夾角)，氣流速度增大時壓迫彈簧片使傘衣迎風角減小、傘衣有效迎風面積減小，當氣流速度減小時釋放彈簧片使傘衣迎風角增大、傘衣有效迎風面積增大，維持總阻力基本不變。

圖1 骨架彈簧片原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of skeleton spring

1.2 設計方法

本文所設計的變阻穩定傘為1∶1 比例的原型穩定傘，外形結構如圖2 所示，實物如圖3 所示，包括36 組支撐臂骨架、彈簧片、傘衣、固定環等部件，完全打開時最大外徑尺寸960 mm，最大內徑尺寸450 mm，骨架材料為鋁合金。36 組支撐骨架為活動部件，通過固定環上的安裝槽穿過圓環均勻分布安裝，每一片支撐骨架可繞圓環自由轉動，以實現穩定傘的打開與收縮；相鄰兩片支撐臂由鋼絲繩連接，鋼絲繩穿過后支撐臂上的安裝孔，兩端由鋼質接頭壓緊，形成上下兩組鋼絲繩圈，一方面維持穩定傘打開過程中的骨架形狀，另一方面限制穩定傘最大打開尺寸，以增加加油過程中穩定傘的穩定性；與傳統支撐骨架相比，后支撐臂長度縮短，可有效減輕穩定傘重量；骨架彈簧片采用插槽形式安裝于前支撐臂弧形槽處，使得彈簧片可以通過弧形槽調整初始迎風角度且便于更換。

圖2 自適應變阻穩定傘結構示意圖Fig. 2 Structural diagram of adaptive variable drag drogue

圖3 自適應變阻穩定傘實物照片Fig. 3 Picture of adaptive variable drag drogue

目前我國使用的穩定傘為傳統恒定阻力特征穩定傘，傘衣直接連接在前支撐臂和后支撐臂末端，環狀傘衣處于無約束狀態；而本文設計的穩定傘增加了彈簧片元件，傘衣套在彈簧片外面，起到維形的作用。傘衣為雙層縫制的篷布，具有良好的柔韌性和強度，厚度約1.2 mm，呈圓環狀，傘衣上均勻縫制36 個寬度約為20 mm 的布套，使其能將18 mm 寬的彈簧片套入其中但又不松動，傘衣將36 片彈簧片連接在一起，形成環狀傘衣成為產生阻力的主要部件，傘衣受風載后，彈簧片發生變形，從而改變傘衣的迎風角度和有效迎風面積，起到變阻力特征面積的作用。

1.3 設計難點

彈簧片是本文所設計穩定傘的關鍵部件(設計細節如圖4 所示)，其材料及結構外形參數如何選取是最大的設計難點。

圖4 彈簧片細節設計圖Fig. 4 Detailed design figure of spring leaf

彈簧片變形與抗彎剛度相關，抗彎剛度越小變形越大；抗彎剛度與彈簧片材料的彈性模量以及彈簧片橫截面積相關，彈性模量和橫截面積越小，抗彎剛度越小。因此彈簧片設計涉及材料屬性(彈性模量、塑性屈服強度)、長度、寬度、厚度、彎曲形狀等多個參數。

由于穩定傘自適應變阻過程涉及流體、柔性織物、彈性元件變形等多方面的流固耦合問題，理論分析和數值計算都很難準確模擬該過程，亦無法直接給出有效的彈簧片材料結構參數。因此本文擬采用風洞試驗方法來探索彈簧片的設計參數。

本文僅研究彈簧片材料彈性模量和彈簧片厚度兩個關鍵參數對自適應變阻穩定傘氣動特性的影響。基于工程經驗，初步設計兩種材料、三種厚度共四種彈簧片模型開展風洞試驗，分別為厚度8.0 mm、1.5 mm、1.0 mm 的鋼彈簧片(45#鋼)和厚度1.0 mm 的鈦合金彈簧片(TC4 鈦合金)。45#鋼和TC4 鈦合金的彈性模量分別為209 GPa 和110 GPa，則四套彈簧片的抗彎剛度大小關系為：8.0 mm 鋼＞1.5 mm 鋼＞1.0 mm 鋼＞1.0 mm 鈦合金。

2 風洞試驗方法

本文通過開展穩定傘測力試驗和變形測量來研究自適應變阻力特征穩定傘的氣動特性，驗證變阻設計方法的正確性。

試驗在中國空氣動力研究與發展中心FL-14風洞(φ3.2 m 風洞)開口試驗段進行。為減小支撐裝置對穩定傘氣動特性的干擾影響，采用尾撐支撐方式，模型安裝如圖5 所示。

圖5 模型安裝圖Fig. 5 Model installation diagram

圖6 給出了試驗裝置的結構示意圖，安裝座和整流罩模擬了加油接頭的外形，天平浮動端與安裝座連接，天平固定端與支桿連接。試驗時天平軸線、支桿軸線與風洞來流方向平行，使加油穩定傘處于零迎角、零側滑角狀態。

圖6 試驗裝置結構示意圖Fig. 6 Structural diagram of test device

由于穩定傘既有柔性織物又涉及彈簧片變形，與傳統剛性模型測力試驗相比，模型的穩定性明顯降低，因此對測力試驗結果分別采用靜態和動態數據分析兩種方式。氣動載荷由TS0802A六分量桿式天平測量，通過風洞PXI 數采系統采集，采樣時間為6 s、采樣頻率100 Hz，靜態結果為6 s 內采樣結果的平均值，動態結果為6 s 內采樣值的實時序列。

彈簧片在不同風速下的變形由OptiTrack 系統測量。OptiTrack 為光學運動捕獲系統，屬于被動式紅外光學定位技術，原理是利用多個紅外攝像頭發出波長850 nm 的紅外線光照射到標記點上，由于標記點上的反光材料具有增強紅外光線的反射能力，從而達到圖像中標記點與周圍環境明顯區分的目的，獲得標記點的位移信息。對同一標記點，只要它同時為兩個相機所見，即可根據攝影測量原理確定這一時刻該點在空間中的三維位置坐標。為確保試驗中能有效獲得標記點的空間位置信息，在試驗段上方安裝5 臺紅外相機，安裝位置如圖7 所示；在穩定傘上方彈簧片對應的傘衣上粘貼8 個～9 個標記點，標記點黏貼位置如圖8所示。試驗前標定OptiTrack 系統坐標系，坐標系定義如圖7 所示，原點位于錐套前緣端點，z軸平行于來流指向前，y軸垂直于z軸指向正上方，x軸滿足右手定則。OptiTrack 系統紅外相機拍攝幀率設置為30 fps，拍攝時間5 s。

圖7 OptiTrack 系統紅外相機安裝圖Fig. 7 OptiTrack infrared cameras installation diagram

圖8 標記點粘貼位置Fig. 8 Paste location of marks

試驗按穩速壓方式運行，速壓控制精度為0.3%，試驗風速范圍30 m/s～80 m/s。待速壓穩定后，同步采集對應風速下的氣動載荷及標記點三維坐標信息。由于彈簧片受載會發生變形，且風速越高變形越大，甚至可能發生斷裂，在洞內安裝防護網進行保護。

3 試驗結果及分析

本文僅對初始迎風角度為38°的穩定傘氣動特性結果進行分析，關于不同初始迎風角度對穩定傘氣動特性的影響，鑒于文章篇幅限制將另文討論。

3.1 變形結果分析

圖9 給出了四種彈簧片在不同風速下的變形結果，圖中曲線是各標記點在OptiTrack 系統坐標系oyz平面內的投影點的連線，體現了不同錐套彈簧片變形后的形狀。從圖中可以看出，對于8.0 mm鋼彈簧片穩定傘，當風速為30 m/s～40 m/s 時，骨架處于打開過程階段，標記點位置坐標隨風速增加逐漸上移；當風速大于40 m/s 以后，骨架完全打開，隨風速增加，各標記點位置坐標基本不再變化，彈簧片形狀曲線重合，表明8.0 mm 鋼彈簧片的抗彎剛度很大，在試驗風速范圍內未發生變形，始終處于剛性狀態；其他三種彈簧片均發生變形，且風速越大變形越大；1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘骨架最易打開，風速30 m/s 時已基本完全打開。

圖9 不同風速下彈簧片的變形結果Fig. 9 Deformation results of spring under different wind speeds

圖10 給出了風速分別為40 m/s 和70 m/s 時，不同彈簧片的變形對比結果。結果表明，彈簧片抗彎剛度越小，變形越大，變形大小關系為1.0 mm鈦合金＞1.0 mm 鋼＞1.5 mm 鋼，風速70 m/s 時，1.0 mm 鈦合金彈簧片幾乎與來流方向平行。

圖10 相同風速下，不同彈簧片的變形對比結果Fig. 10 Deformation comparison of different springs at thesame wind speed

3.2 測力試驗靜態結果分析

加油穩定傘環形傘衣是為錐套提阻力的主要部件，其核心指標為阻力特征值CA(也稱為阻力特征面積)，表征傘衣的有效迎風面積，計算公式為：CA=FD/q。其中：FD為測得的阻力值；q為速壓。

圖11、圖12 分別給出了不同彈簧片穩定傘的阻力和阻力特征對比曲線。結果表明，當骨架彈簧片為8.0 mm 鋼時，彈簧片保持剛性狀態，隨風速增大，有效迎風面積基本不發生變化，穩定在0.43 m2左右，阻力值則迅速增大，即8.0 mm 鋼彈簧片穩定傘表現出恒定幾何特征的性質，其氣動特性規律與傳統穩定傘相關數值計算和風洞試驗規律完全一致[5,9]。彈簧片為1.5 mm 鋼、1.0 mm鋼和1.0 mm 鈦合金時，由于受風載后彈簧片發生了變形，傘衣的迎風角度隨之改變，因此穩定傘有效迎風面積隨風速增加而逐漸減小，阻力值增幅減小，表現出變阻力特征的性質；且抗彎剛度越小，變形越大，有效迎風面積減小越顯著；特別是1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金彈簧片穩定傘，阻力的變化梯度較小，充分體現了自適應變阻力特征穩定傘隨風速變化阻力值相對穩定的特點，驗證了本文自適應變阻力特征穩定傘設計方法的正確性。此外，當彈簧片變形到一定程度，即實際迎風角減至接近0°后，隨風速增加，彈簧片將不會繼續變形，會維持現有形狀，有效迎風面積趨于穩定，阻力值將持續快速增加，穩定傘自適應變阻特性失效；由于1.0 mm 鈦合金彈簧片更易變形，其失效風速(70 m/s 左右)比1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘(80 m/s 左右)低，有效自適應變阻風速區間更窄。綜上1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘的自適應特性更優。

圖11 不同彈簧片穩定傘的阻力曲線Fig. 11 Drag curves of drogues with different springs

圖12 不同彈簧片穩定傘的阻力特征曲線Fig. 12 Drag characteristic curves of drogues with different springs

3.3 測力試驗動態結果分析

對于穩定傘測力試驗，由于傘衣是柔性布，試驗時會出現呼吸作用，導致數據穩定性降低。因此對四種彈簧片穩定傘的動態測量數據結果展開了研究，并與某型傳統恒定阻力特征穩定傘的動態測量結果進行了對比。圖13 給出了風速70 m/s時，不同穩定傘阻力特征動態測量結果的對比曲線；圖14 給出了不同風速下，不同穩定傘阻力特征動態測量結果的標準差對比曲線。

圖13 風速70 m/s，不同穩定傘阻力特征的動態測量結果對比曲線Fig. 13 V=70 m/s, comparison curves of dynamic results of drag characteristics for different drogues

圖14 不同風速下，不同穩定傘阻力特征動態測量結果的標準差對比曲線Fig. 14 Under different wind speeds, standard deviation comparison curves of dynamic results of drag characteristics for different drogues

結果表明，本文設計的穩定傘結構由于增加了彈簧片元件，對傘衣有維形作用，不再如傳統穩定傘一般整個環狀傘衣處于自由無約束狀態，因此傘衣的動態穩定性明顯優于傳統穩定傘。尤其是骨架彈簧片為1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金時，穩定傘的阻力特征動態測量數據波動及離散標準差值顯著降低，表明這兩種穩定傘穩定特性更好，這也驗證了其自適應特性對于提升阻力穩定性十分有利。

4 數據結果的拓展與應用

由于風洞條件限制，本文僅進行了低速試驗研究，在試驗風速范圍內得到了1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘的自適應特性更優的結論，如圖11 所示，其能在50 m/s～75 m/s 風速范圍內自適應變形調節阻力特征面積，保持穩定傘的阻力值相對穩定。但是該阻力值偏小，所對應的飛行速度偏低，并不適用于在真實加油飛行中直接使用。

以下將對本文所獲得的試驗結果進行拓展應用，提煉出工程估算模型，為下一步開展工程適用的自適應變阻穩定傘設計提供有效的彈簧片輸入參數。

4.1 工程估算模型

式(4)即為工程估算模型，給出了兩種彈簧片變形規律一致時，對應的風速關系。

企業的管理者要想更好地了解公司的實際情況，就要注意采納下層員工的意見。在新的時代背景下，企業新招收員工的個性更加鮮明，很容易因為工作上的問題與資歷較長的員工產生沖突。所以人力資源管理部門可以增加新員工和公司的領導的交流機會和渠道，讓底層員工的意見能夠被重視。

4.2 工程估算模型的驗證

根據第3 節分析可知，試驗風速范圍內1.0 mm鋼彈簧片穩定傘的自適應特性更優，因此以其氣動特性數據作為基礎數據進行拓展。即E1=209 GPa，h1=1 mm，有效的自適應變阻風速區間為V1=50 m/s～75 m/s。

根據式(4)，當彈簧片為1.5 mm 鋼時，E2=209 GPa，h2=1.5 mm，則可估算出有效的自適應變阻風速區間為V2=91 m/s～137 m/s。從圖11 中1.5 mm 鋼彈簧片穩定傘的阻力曲線可知，當風速到達80 m/s 時，當地阻力斜率明顯減小，可預測之后阻力將會進入到相對穩定的階段，與估算結果一致。

當彈簧片為1.0 mm 鈦合金時，E2=110 GPa，h2=1 mm，則可估算出有效的自適應變阻風速區間為V2=37 m/s～55 m/s。從圖11 中1.0 mm 鈦合金彈簧片穩定傘的阻力曲線可知，其有效自適應變阻風速區間約為40 m/s～60 m/s，與估算結論基本吻合。

以上分析驗證了工程估算模型的合理性。

4.3 工程估算模型的應用

試驗后觀察彈簧片外形發現，在試驗風速范圍內，各彈簧片均未發生明顯塑性變形。但是若風速繼續增大，載荷也將持續增加，彈簧片極有可能發生塑性變形，而鈦合金的材料屈服強度遠大于鋼，材料性能更優，因此以鈦合金材料為例，根據式(4)，設計工程適用的自適應變阻穩定傘，使其適用的加油飛行速度和阻力值能滿足真實的加油需求。

取鈦合金彈簧片厚度為2.0 mm，即E2=110 GPa，h2=2 mm，由式(4)可估算出有效的自適應變阻風速區間為V2=103 m/s～154 m/s。

FD=ρV2CA/2

由于阻力值，1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘在V1=50 m/s～75 m/s 范圍內阻力值約為400 N，則2.0 mm 鈦合金彈簧片穩定傘在V2=103 m/s～154 m/s 范圍內對應的阻力值約為1700 N。

4.4 意義及下一步研究方向

雖然實際的彈簧片受載并不是集中載荷而是分布載荷，彈簧片的受力分析和變形也要復雜得多[18]，但本文所獲得的研究成果對于進一步開展工程適用的自適應變阻穩定傘研究具有重要意義。一方面，驗證了所提出的自適應變阻穩定傘設計方法的正確性；另一方面，已獲得的彈簧片參數、變形數據以及提煉出的工程估算模型可為彈簧片材料結構參數的設計選取提供重要的數據參考。

下一步工作中將繼續結合低速和高速風洞試驗，開展鈦合金或其他材料彈簧片的氣動特性及變形研究，進一步優化彈簧片外形、尺寸等結構設計，以提高自適應變阻力特征穩定傘的安全性和使用范圍。

5 結論

本文基于骨架彈簧片原理，設計了一種全新的自適應變阻力特征加油穩定傘，并通過風洞測力試驗和變形測量技術研究了彈簧片彈性模量和厚度參數對其氣動特性的影響，驗證該設計方法的正確性。研究結果表明：

(1)在30 m/s～80 m/s 風速范圍內，8.0 mm 鋼彈簧片穩定傘保持剛性狀態，未發生變形，表現出恒定阻力特征的特性，阻力值隨風速增加迅速增大。

(2) 1.5 mm 鋼、1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金彈簧片均隨風速變化發生自適應變形，使得穩定傘的阻力特征面積能夠自適應調整，起到穩定阻力大小的作用，且抗彎剛度越小變形越大，風速越大變形越大；其中1.0 mm 鋼彈簧片穩定傘的自適應特性更優。

(3)自適應變阻力特征穩定傘的動態穩定性明顯優于傳統恒定阻力特征穩定傘，尤其是骨架彈簧片為1.0 mm 鋼和1.0 mm 鈦合金時，穩定傘的阻力特征動態測量數據波動及離散標準差值顯著降低，表明穩定傘的自適應特性對于提升阻力穩定性十分有利。

(4)本文所提出的自適應變阻設計方法正確合理，所獲得的研究結果和工程估算模型能為工程適用的自適應變阻穩定傘設計提供重要的數據支撐。