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翼伞精确空投系统研究 0 drop系统简介 传统的云道教系统容易受到风场等环境因素的影响。为保证货物着陆精度,系统需要在低空进行投放,这就导致载机被击落的可能性大大增加;若在高空投放,则落点散布很大,不利于兵力与设备的集结,降低了空投效果。因此要在保证载机安全的同时提高着陆精度,精确空投系统成为发展的必然。近些年来,随着GPS导航技术的引入和测控技术的应用,精确空投技术日益成熟,逐渐取代了传统空投系统。精确空投系统(precise airdrop systems,PADS)主要包括圆伞精确空投系统、翼伞精确空投系统、半刚性可展开翼(semi-rigid deployable wing,SDW)精确空投系统、联合精确空投系统等。 翼伞是一种由柔性纺织材料制成的气动减阻装置,拥有高升阻比的气动性能、优良的滑翔能力、良好的稳定性和操作性,并能像传统的降落伞一样方便地折叠包装,具有体积小、重量轻、便于携带搬运的特点;因此在航空航天、民用、军事等领域应用越来越广泛,特别是精确空投的研究与发展,使其作用越来越显著。 翼伞精确空投系统就是利用翼伞特点,将人员、物品等远距离准确投放到指定地域。翼伞精确空投系统的目标是提供迅速、准确、低成本的空投,其具有的优点主要是归航过程的可控制性和远距离机动飞行的能力。由于提高了空投精度,因此可以更灵活地选择空投目标点,避免了传统方法的脆弱性,从而极大地增强空投的作战效能。 随着空投系统在抢险救灾、货物传送、飞行器回收等方面的广泛应用,我国也开展了翼伞载人空投系统和翼伞精确空投系统的研制工作,但与国外仍有不小的差距。由于空间技术的蓬勃发展和非战争军事需求的增强,必然会增加航天器的返回以及人员、救灾减灾等物资的投放。采用翼伞精确空投系统来实现航天器的回收和人员、物资等的投放不仅能够节约大量的人力、物力和财力,而且能实现安全、准确的着陆,具有十分重要的意义;因此,笔者重点对翼伞精确空投系统进行研究。 1 关于v型雨伞的研究 国外的翼伞研究机构主要集中在美国、俄罗斯、德国空间研究中心等,具体见表1。文中主要来源于他们公开发表的文献资料。 2 sdw垂直时空生长系统 传统的翼伞一般由柔性纺织材料制成,充气后的形状类似于飞机的机翼但又不同于机翼,如图1所示。首先由于它的柔性,翼伞可能随压力分布变化而有变形,这使翼面气流分离比较平稳,分离气流还能重新附着,使升力损失比较缓慢;其次,纺织材料具有透气性,对翼伞的绕流会产生一定的影响;最后,翼伞的翼型前缘开有切口,在飞行中依靠前缘的切口进行充气,为翼伞提供刚度。 SDW精确空投系统不同于传统的翼伞精确空投系统。SDW是美国联合技术公司USBI研制的一种高滑翔比的翼型空投系统。在柔性的翼面内用可折叠的刚性骨架进行加固,在翼面下配备标准货物吊舱,通过位于翼前端的进气口实现充气飞行。由于翼的刚性,SDW的滑翔比达到6:1,超出传统的翼伞系统,高滑翔比允许在远离降落区域25 km的位置投放货载。为了使从标准的空军货机展开变得容易,翼展为9.15 m负载227 kg的SDW处于卷起或折叠的装配状态。离机后首先将翼展开,然后由自主的导航控制(guidance navigation control,GNC)系统控制SDW,保持系统平衡,并操纵系统飞向预定的目标区域,图2(a)为SDW系统示意图,图2(b)为半刚性可开展翼的折叠和展开的结构图。 SDW技术进一步的研究目标是提高载货能力和增大航程。首先将论证SDW-M,载货能力为907~2 268 kg。其次采用可选的滑翔增升系统,使SDW航程从75 km增加到300 km。目前在研的SDW-M翼展17.7 m,最大载重3 629 kg,采用能叠缩的前缘,加装尾翼,增加了可操纵性和精度。 3 翼伞和气流攻角 翼伞气动力特性是翼伞精确空投系统归航控制的基础,主要取决于它的伞衣形状、翼型以及气流攻角。研究方法分为实验方法(主要包括空投飞行和风洞实验)和计算机数值计算研究。空投飞行固然十分重要,但其投资巨大,因为翼伞为柔性体的缘故,风洞实验也较难实现;因此,数值计算对分析翼伞气动特性来说至关重要。 3.1 基于数值求解n-s流动控制方程的计算流体方法 绕翼伞的流动一般为不可压流动,因此翼伞流场的数值模拟方法可分为有势流动的解析算法、涡元法(vortex element methods,VEM)和基于数值求解N-S流动控制方程的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,其中后2种方法适合在较大的速度范围内求解复杂外形,因而得到了充分的发展和广泛的应用。以下只介绍涡元法和CFD方法。 3.1.1 主要豫的计算 涡元法是在建立流场方程的基础上,通过伞衣型面及尾涡面上的边界条件,解出绕伞衣流场的数值解。它的计