摘要

增大傘衣透氣性有利于提高降落傘的穩(wěn)定性，相關(guān)研究日益受到重視。文章基于計算流體力學方法對不同透氣性下的環(huán)帆傘流場開展數(shù)值計算，在傘衣構(gòu)型設計不變的前提下，分別針對位置和數(shù)量開展開“窗”結(jié)構(gòu)對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能影響的研究。結(jié)果表明：開“窗”數(shù)量相同時，位置越靠近傘衣底部，阻力系數(shù)受影響越小，越不利于提高靜穩(wěn)定性；開“窗”位置相同時，數(shù)量增加，阻力系數(shù)下降趨勢減弱，靜穩(wěn)定性基本不變。上述結(jié)果可為環(huán)帆傘的設計改進提供參考。

引言

近年來，隨著我國空間站建設及航天技術(shù)的快速發(fā)展，載荷體質(zhì)量及體積有所增加，這對保證航天器返回過程中降落傘能夠可靠工作提出了更高的要求。環(huán)帆傘作為諸多航天器回收主傘選定的重要傘型，其氣動特性的好壞尤為重要。理論和實踐表明，適當改變傘衣的透氣性可以使阻力效率和開傘可靠性，以及穩(wěn)定性和開傘動載之間達到一個微妙的平衡。目前，針對透氣性與環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能之間的關(guān)系研究，主要依據(jù)工程試驗及數(shù)值模擬。例如，“獵戶座”飛船降落傘研制團隊基于風洞試驗，發(fā)現(xiàn)增大環(huán)帆傘傘衣底邊附近的織物透氣性可以提高靜穩(wěn)定性；文獻依據(jù)風洞試驗，取得超聲速時不同織物透氣性的環(huán)帆傘主要性能參數(shù)。由于試驗資金投入大，耗費周期長，且無法指導設計，數(shù)值模擬技術(shù)獲得廣泛應用。經(jīng)流固耦合計算分析發(fā)現(xiàn)，移除靠近環(huán)帆傘傘衣底部的帆能有效提高其靜穩(wěn)定性；利用CFD方法對結(jié)構(gòu)不同的環(huán)帆傘開展性能分析，以研究結(jié)構(gòu)透氣性對環(huán)帆傘阻力特性和靜穩(wěn)定性的影響，并提出以最小阻力損失、最大化靜穩(wěn)定性的設計方案；基于ALE算法，探究了環(huán)帆傘頂部結(jié)構(gòu)透氣量對阻力性能的影響；在建立環(huán)帆傘充滿狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)外形的基礎(chǔ)上，對環(huán)縫和環(huán)帆結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，總結(jié)得到結(jié)構(gòu)透氣量與環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能之間的關(guān)系，擬合了二者相關(guān)的多項式曲線；文研究結(jié)果表明，增大傘衣織物透氣性，可以減小阻力系數(shù)的波動及平均值；在不改變傘衣名義面積和環(huán)帆高度比的前提下，探究了環(huán)片數(shù)量對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能的影響，所得結(jié)論對環(huán)帆傘的設計有一定參考意義。

綜上所述，目前基于數(shù)值模擬技術(shù)，探究透氣性對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能的影響，主要集中在織物透氣性和改變縫寬、環(huán)數(shù)等結(jié)構(gòu)。隨著載荷質(zhì)量的增加，單傘已無法滿足大質(zhì)量返回艙的安全著陸要求，群傘系統(tǒng)氣動減速技術(shù)獲得更多的關(guān)注并成功應用。資料顯示，為提高群傘系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性，國外先進的載人飛船，如NASA“獵戶座”飛船、藍色起源“新謝潑德號”飛船、波音“星際線”飛船的主傘均采用了開“窗”結(jié)構(gòu)設計（如圖1所示），而針對這一結(jié)構(gòu)變化國內(nèi)尚未開展相關(guān)仿真計算。本文采用CFD方法，分別針對位置和數(shù)量開展開“窗”結(jié)構(gòu)對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)性能影響的研究，研究結(jié)果可為從開“窗”角度優(yōu)化環(huán)帆傘提供一定依據(jù)。

研究對象

本文以某環(huán)帆傘為研究對象，開展穩(wěn)態(tài)階段數(shù)值計算。傘衣共 24 幅，由上部 4 環(huán)和下部 6 帆組成，名義面積 50.3m2，其結(jié)構(gòu)及具體尺寸如圖 2 和表 1 所示。同時，為方便后續(xù)研究，圖 2 中已對環(huán)和帆進行了序號標注。圖 2 中， La 、 Lb 為傘衣幅上底和下底寬； r 、 s 為環(huán)片和帆片高度； h1、 h2 為環(huán)片和帆片總高度； c 為環(huán)縫寬度； hr 為傘衣幅高度。

以上述條件的環(huán)帆傘作為基準算例，在傘衣構(gòu)型設計不變的前提下，分別針對開“窗”位置和數(shù)量進行穩(wěn)態(tài)氣動性能影響研究。通常認為在最大投影直徑位置以下進行開“窗”對阻力特性影響較小，該傘空投試驗中的投影直徑 Dt 與結(jié)構(gòu)直徑 Dj 比為 0.82，接近于圖 2 中帆 5 位置。開“窗”數(shù)量采用占傘衣幅數(shù)的百分比定義，根據(jù)圖 1（a）及文獻可知“獵戶座”飛船傘衣幅數(shù)為 80，開“窗”數(shù)量為 16，即國外已應用的開“窗”數(shù)量為 20%。

考慮到本文基準算例中的環(huán)帆傘傘衣幅數(shù)為 24，且開“窗”數(shù)量需為整數(shù)，最終以開“窗”數(shù)量 25%和帆 5 位置為基礎(chǔ)，選取 5 個研究對象分別實施開“窗”位置、數(shù)量影響分析。首先，保證開“窗”數(shù)量為 25%不變，設置帆 3、帆 4、帆 5 三個位置作為研究對象；其次，控制開“窗”位置為帆 5 不變，再設置 50%、75%兩個開“窗”數(shù)量作為研究對象。各研究對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)值及結(jié)構(gòu)示意分別如表 2 和圖 3 所示。

數(shù)值計算方法

【1】控制方程

該環(huán)帆傘穩(wěn)降階段的馬赫數(shù)小于 0.3，本文采用不可壓 Navier-Stokes方程進行求解，其控制方程為：

目前工程上常用的湍流模型有 Inviscid、Spalart-Allmaras、Standard k-epsilon 及 SST k-ω。其中Standard k-epsilon 模型是目前工業(yè)流動計算中應用最廣泛的湍流模型，計算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)精度，特別適用于復雜幾何的外部流動問題[19]。本文選用該模型開展定常繞流數(shù)值計算，其控制方程表達式為：

計算中，采用有限體積法對控制方程進行離散，空間離散格式采用二階迎風格式，壓強?速度的關(guān)聯(lián)形式采用 SIMPLE 算法。邊界條件采用速度進口和壓力出口，壁面采用滑移邊界條件，傘衣面采用無滑移邊界條件。

【2】方法及驗證

本文針對環(huán)帆傘穩(wěn)降階段的定常繞流流場展開數(shù)值研究，做如下假設：

1）降落傘初始狀態(tài)為軸對稱結(jié)構(gòu)；

2）不考慮前體和傘繩對流場的影響；

3）傘衣為剛性及密實織物，即忽略變形和織物透氣性。

由于傘衣為柔性材料，且受非定常非對稱流場影響，經(jīng)流固耦合計算導出獲得的傘衣充滿外形往往存在部分褶皺的現(xiàn)象（如圖 4 所示），對網(wǎng)格生成和計算不利。故基于流固耦合計算結(jié)果，提取單幅傘衣的節(jié)點信息，借助三維軟件利用單幅旋轉(zhuǎn)陣列的方式生成整體傘衣模型，在此過程中實現(xiàn)模型的光順和清理。最終用于研究的環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)外形如圖 5 所示。

采用柱體流場計算域，同時為獲得準確的流場結(jié)構(gòu)變化，在傘衣周邊及尾流區(qū)域進行局部加密，剖面網(wǎng)格如圖 6 所示。沿降落傘軸向、法向、側(cè)向的流場計算域尺寸為 10 D0 ×8 D0 ×8 D0（ D0 為名義直徑），其中前邊界距離降落傘頂部 4 D0 ，后邊界距離降落傘頂部 6 D0 ，選取對變形有良好適應性的三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元總數(shù)約 650 萬。計算工況：來流速度 13m/s，大氣壓力 101 325 Pa，攻角為 0°。

圖 7 和圖 8 為四種湍流模型(Inviscid、Spalart-Allmaras、Standard k-epsilon、SST k-ω)計算得到的速度流線圖及流場壓力分布云圖，穩(wěn)態(tài)仿真所得阻力系數(shù)如表 3 所示。從中可以看出：四種湍流模型所得阻力系數(shù)與空投試驗之間的誤差在 10%以內(nèi)，均滿足環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)氣動性能分析誤差要求；考慮粘性的后三個湍流模型得到的流場結(jié)果相似，尾流部分基本由傘衣近壁區(qū)域的大量小旋渦對和較遠的兩個大對稱旋渦對組成，而不考慮粘性 Inviscid 模型的尾流區(qū)域混亂，沒有明顯的界限劃分，這表明尾流分布受粘性影響，流場分析需考慮粘性。同時，Standard k-epsilon 模型的傘衣壁面內(nèi)外壓差分布，相比于其他三個模型更為明顯，傘衣透氣部位的壓力分布更符合物理實際。上述結(jié)果表明本文計算方法可以相對更為有效地模擬環(huán)帆傘的穩(wěn)態(tài)階段流場，從而進行相關(guān)分析。

開“窗”結(jié)構(gòu)影響研究

【1】阻力特性

針對開“窗”這一結(jié)構(gòu)變化，獲得各研究對象的阻力系數(shù)變化（如圖 9 所示），圖 9 中序號遵循表 2進行標注。

根據(jù)圖 9（a）可以發(fā)現(xiàn)：由于傘衣承力面積的減少，開“窗”后的傘衣阻力系數(shù)均有一定下降，減小程度小于 5%；開“窗”數(shù)量一定的情況下，位置越靠近傘衣底部，阻力系數(shù)下降的越少，特別是帆 3 位置，根據(jù)表 2 可知其對結(jié)構(gòu)透氣量影響最小，但其阻力系數(shù)下降最多，這表明該位置對傘衣整體阻力系數(shù)的貢獻更大；開“窗”位置一定時，隨著開“窗”數(shù)量增多，阻力系數(shù)下降的趨勢減弱。

圖 9（b）為不同攻角下各算例的阻力系數(shù)，可以看出：在攻角為 5°時，各算例的阻力系數(shù)較基準算例減小幅度最大，所受影響最為嚴重；所有算例在 5°攻角時阻力系數(shù)略有增加，之后逐漸減小，20°以后減小幅度增大，根據(jù)圖 9（c）可知變化原因主要是攻角改變了帆部對阻力系數(shù)的貢獻。

圖 9（d）給出了 0°攻角下，每一環(huán)、帆對整體阻力系數(shù)的貢獻大小，分析表明：即使環(huán)部面積相對較小，但因其傘衣面法向與來流方向接近，故為阻力的重要來源，而越靠近傘衣底部，法向與來流方向越接近于垂直，故帆部對阻力系數(shù)的貢獻較小；整體而言，開“窗”結(jié)構(gòu)未改變環(huán)、帆對阻力系數(shù)的影響趨勢，僅因傘衣承力面積變化造成數(shù)值減小。

【2】穩(wěn)定性

圖 10~11 為除阻力系數(shù)外，各研究對象在其他 5 個自由度方向的氣動特性參數(shù)（包括兩個氣動力系數(shù)及三個力矩系數(shù)）及沿子午線傘衣面內(nèi)外壓力分布，從中分別可以看出：各對象五自由度氣動參數(shù)值均很小，接近于 0；傘衣面內(nèi)外壓力分布左右兩側(cè)均呈對稱分布。上述結(jié)果表明開“窗”結(jié)構(gòu)對基準算例在 0°攻角時的氣動特性參數(shù)及傘衣內(nèi)外壓力分布影響較小，降落傘仍大致處于平衡狀態(tài)。

根據(jù)圖 12 可知，攻角 20°~30°時力矩系數(shù)值受開“窗”結(jié)構(gòu)影響較大。圖 13 給出了 20°攻角時，每一環(huán)帆對力矩系數(shù)的貢獻大小?？梢园l(fā)現(xiàn)：主要是帆 3 至帆 5 位置造成整體力矩系數(shù)改變；因開“窗”結(jié)構(gòu)造成各環(huán)帆對力矩系數(shù)貢獻發(fā)生變化的趨勢大體相同，且位置變化的影響大于開“窗”數(shù)量的影響。

觀察圖 14~15 可以發(fā)現(xiàn)，用于分析的三個研究對象在各攻角下的流場結(jié)構(gòu)大體相似。采用開“窗”結(jié)構(gòu)后，傘衣內(nèi)部氣流部分從“窗口”流出：一方面在傘衣左側(cè)迫使外部氣流遠離傘衣，致使從環(huán)縫、月牙縫流出的射流偏折角度減小，導致“窗口”上側(cè)傘衣幅外部壓力降低；另一方面在傘衣右側(cè)，破壞了沿頂孔至傘衣底邊內(nèi)部流場分布，造成傘衣右側(cè)內(nèi)部整體壓力降低。在上述兩方面的共同作用下，降落傘的擺動減弱。而開“窗”越靠近傘衣底部，該作用程度越小，因此在開“窗”數(shù)量相同情況下，帆3 位置的靜穩(wěn)定性更好。開“窗”數(shù)量的增多，雖然理論上傘衣左側(cè)“窗口”上側(cè)傘衣幅外部壓力及傘衣右側(cè)內(nèi)部整體壓力降低更多，但不可避免地造成傘衣承力面積進一步減少，因此開“窗”數(shù)量為 75%時各攻角的氣動力矩系數(shù)值大幅度降低。

結(jié)束語

采用開“窗”結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化環(huán)帆傘阻力特性與穩(wěn)定性。本文基于計算流體力學方法，針對位置和數(shù)量開展開“窗”結(jié)構(gòu)對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)氣動性能影響研究，經(jīng)數(shù)值結(jié)果分析，獲得如下結(jié)論：

1）開“窗”后的環(huán)帆傘阻力系數(shù)均有不同程度下降。開“窗”數(shù)量一定時，位置越靠近傘衣底部，阻力系數(shù)下降越少；開“窗”位置一定時，隨著數(shù)量增加，阻力系數(shù)下降趨勢減弱。

2）開“窗”后的環(huán)帆傘靜穩(wěn)定性在 0°~30°攻角范圍內(nèi)均有一定提高。其中靜穩(wěn)定性受開“窗”位置變化影響大于數(shù)量的影響，位置越靠近傘衣底部，靜穩(wěn)定性提高越少。

需要指出的是，開“窗”結(jié)構(gòu)主要用于提高群傘系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性，而本文僅針對單傘開展了不同開“窗”結(jié)構(gòu)的環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)階段繞流流場計算，后續(xù)可對采用開“窗”結(jié)構(gòu)的群傘系統(tǒng)開展進一步研究。

搬運件完畢

原標題：開“窗”結(jié)構(gòu)對環(huán)帆傘穩(wěn)態(tài)氣動性能的影響

編寫人員：包文龍 1 賈賀 1,2 薛曉鵬 3 王奇 1 黃雪姣 1 高樹義 1 榮偉 1 吳壯志 4

（1 北京空間機電研究所，北京 100094，2 南京航空航天大學航空學院，南京 210016，3 中南大學航空航天學院，長沙 410083，4 北京航空航天大學計算機學院，北京 100191）

文件翻譯：無翻譯內(nèi)容

文件校對：Falcon 9

搬運件出版方：ASPT-航天科普小組

搬運件版權(quán)所有：搬運件出版方無版權(quán)

原文件出版方：《航天返回與遙感》

原文件版權(quán)所有：《航天返回與遙感》編輯部

出版時間：當?shù)貢r間2022

原文地址：http://journal11.magtechjournal.com/Jwk3_htfhyg/CN/10.3969/j.issn.1009-8518.2022.01.001