無(wú)傘精確空投模式下飄帶試驗(yàn)研究

蘭文昌，王中陽(yáng)，王申奧

（航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司航空防護(hù)救生技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽(yáng)441003）

隨著中國(guó)自行設(shè)計(jì)研制的大型水陸兩棲飛機(jī)成功實(shí)現(xiàn)水上首飛起降，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大型水陸兩棲飛機(jī)海上救援、森林滅火、海洋巡察等多項(xiàng)特征任務(wù)研究。海上救援[1]任務(wù)研究包括水陸兩棲飛機(jī)及配套救援裝備在海上救援作業(yè)時(shí)的應(yīng)用模式研究、海上救援低成本精確空投技術(shù)研究、海上著水救援起降安全性及流程技術(shù)研究等。基于無(wú)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(shù)的研究?jī)?nèi)容之一。

水陸兩棲飛機(jī)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(jí)海況以下開(kāi)展施救。在3 級(jí)以上海況時(shí)，空投救援物資以支持遇險(xiǎn)人員開(kāi)展自救互救是一項(xiàng)有力的救援手段。為防止空投物包裝在空投過(guò)程中破損，根據(jù)現(xiàn)有空投需求、相關(guān)救生物資產(chǎn)品實(shí)物以及空投過(guò)程中空投物空投過(guò)載和沖擊與質(zhì)量的關(guān)系，空投救援物資的質(zhì)量一般不大于50 kg[2]?？胀兜木仍镔Y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(shù)范圍主要是止血、包扎、固定等簡(jiǎn)單的急救措施，此時(shí)空投物資主要是應(yīng)急食品、急救藥品和耗材等小物質(zhì)，為遇險(xiǎn)人員自救互救提供物質(zhì)條件，進(jìn)而穩(wěn)定其生命體征和心理素質(zhì)，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(duì)降落傘，具有受風(fēng)力影響較小、空投物資振動(dòng)角度較小、包裝簡(jiǎn)單、空投快捷等優(yōu)點(diǎn)，是小物質(zhì)精確空投的有效措施。文獻(xiàn)[4]中對(duì)織物飄帶的拖動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[5-6]中進(jìn)行了飄帶穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)，以改善火箭彈的空氣動(dòng)力特性?；陲h帶的優(yōu)良特性，美軍設(shè)計(jì)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(zhǎng)飄帶減速著陸，質(zhì)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(guó)內(nèi)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(kāi)，穩(wěn)定子彈的飛行姿態(tài)，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(chǎn)品較少。本文利用空氣動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)傘精確空投模式的空投物品包，研究了飄帶的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以滿足水陸兩棲飛機(jī)在典型海況下空投救援物資的需求。

1 分析與實(shí)施

1.1 空投物品清單

依據(jù)國(guó)家突發(fā)事件應(yīng)對(duì)法和突發(fā)公共事件醫(yī)療衛(wèi)生救援應(yīng)急預(yù)案中的原則與方法，按照不同海難類型，依托海難飛機(jī)救援食品藥品的遴選原則，配備側(cè)重點(diǎn)不同的救援食品、藥品和耗材。為滿足采購(gòu)需要，選擇貨架成品，根據(jù)相關(guān)救生系統(tǒng)對(duì)飛行人員救生物品及個(gè)體防護(hù)裝具配備要求，對(duì)空投物品作了選擇，按兩人24 h 配置的救生物品具體內(nèi)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(lái)包裝救生物品、浮板和飄帶，投放時(shí)飄帶在空中展開(kāi)，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(shí)，飄帶末端的掛點(diǎn)和保險(xiǎn)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(xiǎn)繩受力過(guò)大而斷裂。展開(kāi)的飄帶表面受到空氣的摩擦，在空中劇烈顫動(dòng)，產(chǎn)生阻力。飄帶產(chǎn)生的阻力減小了物品包的下落速度和擺動(dòng)角度，最終降落到預(yù)定地點(diǎn)。

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

圖2 空投物品包的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of airdrop bag

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

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 物品包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

物品包分為外層和內(nèi)層。外層通過(guò)勾帶絨帶粘合，用于收納飄帶；內(nèi)層通過(guò)拉鏈拉合，內(nèi)層分置多個(gè)口袋，用于存放救援物資，口袋下方設(shè)置夾層，內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

按表1 統(tǒng)計(jì)的無(wú)傘空投物品包飄帶空投物品的質(zhì)量為1.47 kg；浮板選用PEP 材料，密度為20 kg/m3，質(zhì)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(zhì)量為0.37 kg；飄帶采用錦絲帆綢、滌絲綢等，估算其最大質(zhì)量為0.65 kg。綜上，空投物品包總質(zhì)量為2.52 kg。

圖3 物品包內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of airdrop bag

為保證物品質(zhì)量在包內(nèi)均勻布局，按照救援物資的體積和質(zhì)量設(shè)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(jù)密度公式，計(jì)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(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[4]中討論飄帶阻力時(shí)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(lái)源于飄帶顫振。決定飄帶阻力大小的因素為飄帶的長(zhǎng)寬比和飄帶單位面積織物的質(zhì)量。

飄帶阻力系數(shù)（Drag coefficient）C 是飄帶阻力的關(guān)鍵參數(shù)，國(guó)內(nèi)已有針對(duì)此內(nèi)容的初步研究[10]。依據(jù)文獻(xiàn)[11]中對(duì)長(zhǎng)寬比（L/W）在4～75 范圍內(nèi)的飄帶的研究，飄帶的阻力系數(shù)C 與飄帶的長(zhǎng)寬比符合線性增加函數(shù)，如圖4 所示。經(jīng)曲線擬合得到

圖4 飄帶阻力系數(shù)與長(zhǎng)寬比曲線Fig.4 Ribbon resistance coefficient versus lenght-width ratio

根據(jù)降落傘技術(shù)導(dǎo)論[12]，飄帶在空氣中產(chǎn)生的阻力為

式中：Q 為物體產(chǎn)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(jié)構(gòu)[13]Fig.5 Structure of ribbon[13]

圖6 鼓風(fēng)兜裁片F(xiàn)ig.6 Cut-parts of air pocket

為研究Hoerner 提出飄帶單位面積織物的重量對(duì)飄帶阻力大小的影響，試驗(yàn)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(jī)械性能見(jiàn)表2。

表2 飄帶材料的機(jī)械性能Table 2 Mechanical properties of ribbon materials

文中設(shè)計(jì)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(lán)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(yàn)方法

文中采用傘塔靜態(tài)投放方法研究飄帶的著陸速度。在物品包內(nèi)放置的配重物品為鉛塊和石子。試驗(yàn)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(kāi)，試驗(yàn)員拉緊飄帶頂端，在收到投放命令后，松開(kāi)飄帶頂端，飄帶在空中自由飄落。試驗(yàn)過(guò)程中記錄了當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)貧鈮汉惋L(fēng)速，用普通攝像機(jī)記錄飄帶的下落過(guò)程，圖12 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

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

按式（1～2）初步計(jì)算出4 種飄帶在距離地面最小23 m 處達(dá)到穩(wěn)定下降狀態(tài)，因此試驗(yàn)中通過(guò)高速攝像機(jī)（250 幀）判讀飄帶在著陸點(diǎn)上空15 m內(nèi)的平均落速可行。運(yùn)用攝影測(cè)量學(xué)[14-16]，應(yīng)用Funimate Video Editor 軟件按以下兩步驟判讀飄帶在著陸點(diǎn)上空15 m 內(nèi)的平均落速。

2.1 像平面坐標(biāo)系

像平面坐標(biāo)系oxy 以影像幾何中心o 為原點(diǎn)，x，y 軸分別平行于影像畫(huà)幅邊緣線，如圖13 所示。像空間坐標(biāo)系用于描述像點(diǎn)、投影中心的空間位置，其原點(diǎn)為圖像投影中心S，z 軸正向?yàn)閿z影方向的反方向，與oS 重合。通過(guò)點(diǎn)S 作平行于像片上x(chóng)、y 軸的軸線即為像空間坐標(biāo)系的X、Y 軸，與Z 軸組成像空間直角坐標(biāo)系S-XYZ。在此坐標(biāo)系中，每一個(gè)像點(diǎn)的Z 坐標(biāo)都等于攝影主距，當(dāng)沒(méi)有特別要求時(shí)，一般以攝影焦距f 表示, 但符號(hào)為負(fù)。

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

2.2 平均落速計(jì)算

假定攝像機(jī)拍攝頻率為1/t，在物體落點(diǎn)處豎立標(biāo)尺, 標(biāo)尺上垂直方向的參考間距L0為1 m，標(biāo)尺在像平面坐標(biāo)系中，參考間距L0垂直方向的像素點(diǎn)距為y1-y0；計(jì)算機(jī)在物體上標(biāo)記參考點(diǎn)A。物體在像空間坐標(biāo)系中，參考點(diǎn)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(biāo)系中，參考點(diǎn)A 前后幀垂直方向的像素點(diǎn)距為（yn-yn-1）。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值解算，可求出（y1-y0,yn-yn-1）。物體第n 幀在空間中的實(shí)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(diǎn)上空15 m 內(nèi)所有典型幀的落速，取平均值為飄帶單次試驗(yàn)的平均落速。

3 結(jié)果分析討論

3.1 傘塔投放試驗(yàn)結(jié)果

傘塔投放時(shí)，在傘塔頂對(duì)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(yàn)結(jié)果。

為生活忙碌著，沒(méi)有人會(huì)因?yàn)槲窇謬?yán)寒而停下腳步。用心走好腳下的路，即便是在風(fēng)寒冰冷處，也依然能找到屬于自己的風(fēng)景。

表4 空投物品包投放試驗(yàn)結(jié)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(zhì)，飄帶的制作相對(duì)于降落傘更為簡(jiǎn)單方便。研究過(guò)程中開(kāi)展了樣件試制和空投試驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)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(biāo)要求，落點(diǎn)范圍小，圓滿完成了應(yīng)用無(wú)傘空投物品包低成本、輕量化空投小物質(zhì)救援物品的任務(wù)，達(dá)到了預(yù)定效果。

3.2 飄帶阻力特性

根據(jù)傘塔投放試驗(yàn)結(jié)果，按式（2）推算飄帶的阻力特性CA 試驗(yàn)值，計(jì)算結(jié)果如表5 所示。計(jì)算時(shí)認(rèn)為飄帶產(chǎn)生的空氣阻力Q 與系統(tǒng)重量mg 相等，即物品包勻速著陸，物品包產(chǎn)生的阻力忽略不計(jì)。

表5 飄帶阻力特性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of ribbon resistence characteristics

由于飄帶3 和飄帶4 配備鼓風(fēng)兜，不能用飄帶面積計(jì)算飄帶的阻力系數(shù)試驗(yàn)值。根據(jù)表5，若忽略鼓風(fēng)兜對(duì)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(yàn)值與飄帶4 的阻力特征(CA)4試驗(yàn)值，簡(jiǎn)單推算單個(gè)鼓風(fēng)兜的阻力特征為

根據(jù)式（4）計(jì)算的單個(gè)鼓風(fēng)兜阻力特征CA 為0.019 m2。

觀察無(wú)鼓風(fēng)兜的飄帶空投物品包的下落過(guò)程可以看出：在下落初期，飄帶劇烈顫振，在物品包端不斷產(chǎn)生波峰，同一時(shí)刻飄帶上可存在多個(gè)波幅較小的波峰，波峰快速向飄帶的末端移動(dòng)，隨著飄帶的剪尾小幅擺動(dòng)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(shí)間，飄帶上產(chǎn)生一個(gè)波幅較大的波峰，波峰緩慢向飄帶末端移動(dòng)，并隨著飄帶剪尾大幅擺動(dòng)后消失。圖14 給出了下落后期典型波峰在飄帶上“產(chǎn)生—移動(dòng)—消失”的過(guò)程，波峰從產(chǎn)生到消失經(jīng)歷了約25 ms。下落初期空投物品包受重力作用，加速向下運(yùn)動(dòng)，速度越來(lái)越快，此時(shí)飄帶顫振劇烈；下落后期空投物品包在飄帶產(chǎn)生的阻力作用下，速度越來(lái)越小并趨于穩(wěn)定，此時(shí)飄帶顫振柔和。空投物品包的速度與飄帶的顫振密切相關(guān)，可以認(rèn)為飄帶的顫振越劇烈，產(chǎn)生的阻力越大，這也印證了Hoerner 提出的飄帶阻力主要來(lái)源于飄帶的顫振。

圖14 無(wú)鼓風(fēng)兜飄帶下落后期實(shí)況圖Fig.14 Actual pictures of later falling stage of ribbon with-out air pocket

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

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

文中設(shè)計(jì)的飄帶長(zhǎng)寬比為18～20，均在文獻(xiàn)[11]研究的4～75 范圍內(nèi)[11]。在理論設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用了文獻(xiàn)[11]給出的阻力系數(shù)函數(shù)，計(jì)算了飄帶穩(wěn)定下降時(shí)距地面的最低高度，為高速攝像機(jī)判讀飄帶在著陸點(diǎn)上空的平均落速提供了依據(jù)。特別是飄帶2 的阻力系數(shù)理論值為0.059，試驗(yàn)值為0.044，兩者相差不大。試驗(yàn)說(shuō)明采用文獻(xiàn)[11]中給出的阻力系數(shù)函數(shù)初步判定穩(wěn)降高度可行，其基于飄帶長(zhǎng)寬比的阻力系數(shù)函數(shù)具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)意義。

文獻(xiàn)[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(jù)式（2）計(jì)算了飄帶1 和飄帶2 的阻力系數(shù)試驗(yàn)值分別為0.027 和0.044，說(shuō)明飄帶單位面積織物的重量越大，提供的阻力越大，這是對(duì)Hoerner 理論[4]的有益拓展。

文獻(xiàn)[11]在擬合基于飄帶長(zhǎng)寬比的阻力系數(shù)函數(shù)時(shí)，采用了多種長(zhǎng)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(zhì)量較輕的滌絲綢，遠(yuǎn)小于520 錦絲帆綢（300 g/m2）。這是造成飄帶1 的阻力系數(shù)試驗(yàn)值（0.027）與計(jì)算值（0.059）偏差較大的原因。

本文在飄帶上設(shè)置的鼓風(fēng)兜可有效減小物品包著陸速度并增加投放質(zhì)量。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，計(jì)算出單個(gè)鼓風(fēng)兜的阻力特征為0.019 m2，對(duì)后續(xù)飄帶鼓風(fēng)兜設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

文中設(shè)計(jì)的飄帶遵循了以下幾項(xiàng)原則：飄帶的尾端有切角，飄帶的材料結(jié)構(gòu)均為平紋，飄帶的長(zhǎng)度大于物品包高度10 倍以上，飄帶的首個(gè)鼓風(fēng)兜與物品包的距離是飄帶長(zhǎng)度的1/3 等。這幾項(xiàng)原則的原理機(jī)制將是作者未來(lái)的研究方向。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)空投物品包的設(shè)計(jì)、制作、傘塔投放、高速攝像機(jī)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(dòng)特性。結(jié)果表明：

（1）飄帶的阻力主要來(lái)源于飄帶顫振，空投系統(tǒng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，飄帶顫振頻率快、振幅?。粍蛩龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，飄帶的顫振頻率慢、振幅大。

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

（3）飄帶上設(shè)置鼓風(fēng)兜可有效增大飄帶阻力。通過(guò)傘塔投放試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的單個(gè)鼓風(fēng)兜阻力特性為后續(xù)飄帶鼓風(fēng)兜設(shè)計(jì)提供了參考。

致謝：感謝航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司技術(shù)中心王璐研究員、試驗(yàn)部張衛(wèi)生高工、試驗(yàn)部洪淼高工、二分廠郭俊琴技師在本文研究過(guò)程中提供的指導(dǎo)和幫助！