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收稿日期252作者简介于成果(8),男,吉林德惠人,军械工程学院硕士研究生,主攻通用装备物流及其应用。

空投安全着陆的实现途径

于成果1

,李良春

2

(1.军械工程学院,石家庄050003;2.总装军械技术研究所,石家庄050000)

摘要:着陆缓冲技术是空投技术的一个重要组成部分。利用着陆缓冲装置可以明显地降低降落伞的面积,同时大幅度地降低空投载荷着陆所承受的冲击载荷。文章总结了当前着陆缓冲技术的进展,并对已有的着陆缓冲装置进行了分类,简要地说明每一种类型的缓冲装置的技术性能、使用范围。

关键词:空投;软着陆;缓冲

中图分类号:T J208.9　文献标识码:A 　文章编号:1001-3563(2007)10-0135-03

W a ys of A ir 2d r op S a fe ty L an d in g

Y U Cheng 2guo 1

,L I L iang 2chun

2

(1.Ordnance Enginee ring Co llege,Shijiazhuang 050003,China;2.Ordnance Engineering institute,Shiji azhuang 050000,Chi na )

A bs tr ac t:Softl anding and buffering is an i m portant co mponent of the air 2drop technol ogy .It can obvi 2

ously reduce parachu t e area and shock 2load of equi pm ent t o use the buffe ring devices of a ir 2drop to land .The progress of the s oftlanding and buffe ri ng a t present was su mm arized;the buffering device s of a ir 2dro p we re cla ssified;and t he p ro p ertie s and the applicati on confine of the eve ry buffering device we re ill um inated .

K e y w or ds:a ir 2dro p;s oftlanding;buffe r

　　空投是一种非常重要的投送及物资补给手段,在现代战争中发挥着不可或缺的作用,其应用将越来越广泛。空投的载荷在其着陆下降阶段,一般都是利用降落伞的气动阻力对其减速。但是,在工程设计中,降落伞的减速是有一定的限度的,其设计着陆速度不能规定得过低。而对于一些精密、贵重、敏感危险的装备器材,尤其是弹药引信要求尽可能小的着陆冲击加速度。因此,需要在空投载荷着陆时进一步采取着陆缓冲或是减振抗冲击措施,对空投的装备物资进一步进行减速或吸收其下降的动能,以降低其着陆冲击加速度的峰值。

1　着陆缓冲装置的概况及分类

采用着陆缓冲装置可明显降低降落伞的面积,增加有效载荷的重量,同时又可大幅降低载荷着陆时所受的冲击。工程上使用的着陆缓冲装置的种类比较多,其中常用的有如下两类:

(1)在着陆前的瞬时间内,降低载荷的垂直下降速度;(2)在着陆后的有限距离内,将能量耗散或吸收掉。

详细分类见图1。

图1　着陆缓冲装置分类

Fig .1Classificati on of the buffer and softlanding device

2　几种着陆缓冲装置介绍

2.1　瞬时降低垂直下降速度

2.1.1　利用滑翔伞(翼伞)的雀降性能

[1]

常规降落伞在下降时只产生阻力而无升力。滑翔伞,如翼伞,除了阻力外还产生一定的升力。雀降是翼伞的一种重要性能。当翼伞以滑翔状态接近地面时,如果以较快的速度将两操纵绳同时拉下,在很短的时间内翼伞的前进速度和垂直速度将会先迅速地减小到极小值(接近零),如果开始操纵的高度选择适当,使落地时的速度正好达到最小值,此种操纵便称为雀降。

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3于成果等　空投安全着陆的实现途径

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:2007029

:191-1

雀降在本质上是一种小心操纵的动力失速。当较快拉下操纵绳时,伞衣气动外形发生变化,升力系数和阻力系数迅速增大,但由于惯性,物-伞系统的速度仍然很大,很大的速度、很高的升力系数和阻力系数会在伞衣上产生很大的升力和阻力,结果使伞衣迅速减速直到新的稳定平衡状态为止。

在实际翼伞雀降操纵过程中,即使用同一具翼伞,由于选择的操纵速度、操纵起始高度、操纵行程和操纵方式的不同,获得的着陆效果可能大不相同。影响翼伞雀降性能的主要因素是操纵方式和操纵行程。

2.1.2　着陆缓冲火箭[2-3]

着陆缓冲火箭简称着陆火箭,是一种具有较高技术含量的主动式的空投着陆缓冲装置。原理是借助于缓冲火箭的反推作用,使空投物体着地速度减慢,从而达到要求的安全着地速度,减小空投载荷着陆时的冲击能量。它主要由反推火箭、高度传感器或速度传感器等组成。当载荷乘降落伞下降到距地面一定的高度时,高度控制器使着陆火箭点火给载荷一个向上的冲量,也就是一个向上的速度增量,从而使载荷在着陆前瞬时的速度减小,实现软着陆。理论上讲,利用着陆火箭有可能实现以零速度着陆。

着陆缓冲火箭的主要特点在于其缓冲行程相当大,比任何一种缓冲装置都大;因而可以实现在相当小的过载条件下,将空投载荷的着陆速度减小到很低的水平。着陆缓冲火箭主要应用于空投重型军用装备。

2.1.3　收缩式制动器

[4-5]

收缩式制动器由美国的陆军士兵中心研制,它分为2种收缩式软着陆系统,它可以显著地降低空投的车辆和补给品的着陆速度。第1种为气动强力制动器,是一个硅管,用编织的聚乙烯纤维予以强化,插在物资吊索和降落伞之间。棒状触发器

(高度控制器)在离地面大约4.3m 处启动充气装置,制动器在

撞地前被氮气膨胀,此时直径增大而长度缩短,把所投物资向上拉近降落伞,并降低其着陆速度。第2种系统运用了钢缆收缩技术。在已装好索具的空投平台上放置车辆等物资。当空投平台脱离空投飞机时,降落伞打开,6m 左右的钢缆通过滑轮系统释放出来。挂在被空投的平台下面的棒状触发器(高度控制器)撞击地面时,启动制动器的电机,并把6m 左右的钢缆卷起来。像制动器一样,缩短了的钢缆将所投物资向上拉近降落伞,使其降落速度减小。

2.2　在有限距离内耗散能量2.2.1　利用材料或结构的弹性变形

1)橡胶、弹簧减振器。

橡胶减振器和弹簧减振器是最原始、最简单的减振装置,广泛应用于各种抗冲击装置中的局部减振和缓冲。在空投补给时,为防止空投箱的内装物发生触底损坏,宜采用橡胶、弹簧减振器构成的悬挂式缓冲包装。

)减振筒。

减振筒,又称液压减振器,可以3～根组合安装在空投箱

或空投托盘底部,用以吸收空投载荷的着陆能量。

2.2.2　利用材料或结构的非弹性变形

1)固体材料或结构的变形

[6]

。

(1)利用材料或结构的动力塑性变形或破坏来吸收着陆

冲击的能量。使用的材料一般为泡沫塑料(聚氨酯、聚苯乙烯)。

(2)利用结构的动力屈曲(dy na m ic buckling )。薄壁圆管

在冲击力的作用下,其屈曲形式与静力屈曲形式是不同的。在屈曲过程依次形成一个个波纹形圆环,逐个折叠起来,因而其力-行程曲线呈起伏的波纹状,见图2。使用这种方法时,要

图2　薄壁管在冲击载荷下的屈曲形式

F i g .2The bucki ng for m of the thin 2wa ll p i pe under sh ock 2l oad

求冲击力的作用方向严格通过管子的轴线。还有一种方法不是利用薄管的屈曲性能,而是利用其破裂性能。将若干个薄管捆绑起来,轴线互相平行,在冲击力作用下破裂而吸收能量。

(3)蜂窝结构。[6-7]

蜂窝结构在冲击载荷作用下破坏、吸

收冲击产生的能量。蜂窝结构可以是纸质、铝、不锈钢、塑料或复合材料制成,蜂窝芯内还可以填充泡沫塑料以增加缓冲效果。图3表示纸蜂窝结构在静力和动力作用下的应力-应变曲线。

图3　纸质蜂窝结构的应力-应变曲线

Fig .3The stre ss 2strain curve of the paper h oneycomb structure

2)缓冲气囊。

[8-11]缓冲气囊在地面折叠成较小体积,安装在空投箱或空投托盘底部。在空投箱或空投托盘下降过程,主伞打开后,缓冲气囊利用大气压充气展开,紧贴在空投箱或空投托盘底部。在着陆时,气囊内的气体受到压缩,吸收冲击能量,达到缓冲的目的。

缓冲气囊在着陆时,与地面有相当大的反作用力接触面

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3包装工程　P ACK AGI NG E NGI NEER I NG Vol .28No .102007.10

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着陆缓冲气囊视其缓冲行程是否具有排(泄)气能力,可分为无排气孔的气囊和具有排气能力的气囊两大类。而具有排气能力的气囊又分为排气孔面积固定的气囊、排气孔面积可控的气囊以及增压型气囊3种。下面将分别简要地加以介绍。

(1)无排气孔的气囊。不具有排气孔的气囊是最早使用、结构最简单的一种气囊。在受到冲击时,囊内气体受到压缩而做功。空投载荷下降运动的动能由压缩气囊内的气体所作的功来吸收。缓冲过程的加速度峰值大致上与气囊的初始高度成反比,气囊内的最大压力和减加速度大致上与初始速度的平方成正比。

为了达到一定的缓冲效果,气囊应具有一定的高度,因此缓冲行程结束时容易反弹或倾倒。为了避免这种情况出现,有的设计在缓冲结束时,使气囊胀破或撕裂而迅速瘪掉。

(2)排气孔面积固定的气囊。排气孔面积固定的气囊是目前应用最广、技术最成熟的缓冲气囊。此种气囊的表面有一圈排气孔,外面有排气盖片盖住。在着陆冲击时,气囊内的气体受到压缩,开始排气。从图4的气囊压力曲线可知,气囊行程的大部分用以压缩囊内气体至其压力的峰值,但这样尚不能

图4　各种气囊性能比较

Fig.4Properties of the va ri ous kinds of gasbag

完全消除“空投载荷-气囊”组合质心位置较高,对地面风以及地面坡度的敏感性。还可以看出,在图4中其“制动力-时间”曲线近乎三角形,与图3纸质蜂窝的曲线相比较,其缓冲效益较差。

(3)排气孔面积可控的气囊[10]。排气孔面积可控的气囊是针对排气孔面积固定的气囊而言,其排气孔面积在着陆缓冲的过程可以进行调节。在着陆时,先将排气阀迅速开启到最大位置;然后随时间线性地减小到关闭。相应的冲击加速度G 值表示在图4中。可以发现,G值增长的速度较慢,与排气孔面积为固定的缓冲气囊相比较,其G值的峰值要低30%。

(4)增压型气囊[11]。在着陆前,先向气囊内注入一定数量的气体,给气囊内的气体增压,使其高于外部的大气压。其着陆冲击加速度G值的曲线也绘在图上。可以看出,它接近于具有可控排气孔面积的气囊的曲线。但是,这种方案实施起来,要比前者简单。

3　结　语

着陆缓冲技术是空投技术的一个重要组成部分。利用着陆缓冲装置,可以明显地降低降落伞的面积,同时大幅度地降低空投载荷着陆所承受的冲击。着陆缓冲装置种类比较多,性能各异。对于具体的空投任务,可以单独使用其中一种,也可以综合使用其中的若干种,以达到设计的着陆缓冲要求。

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于成果等　空投安全着陆的实现途径

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b en t Con tr o l and as n ection.A AA-91-0921991.

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