趙兀君，成 德

(1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000;2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

為適應(yīng)國家安全需要，進一步提升國土防衛(wèi)能力，應(yīng)對全天候、全領(lǐng)域的總體作戰(zhàn)要求，維護國家利益，遏制強敵拓展，具備垂直起降、懸停等靈活機動特性的直升機愈發(fā)成為陸、空協(xié)同作戰(zhàn)體系的重要組成部分，特別是在擔負多方向、多維度、多領(lǐng)域的跨海登島、搶灘登陸、反恐維穩(wěn)和搶險救災(zāi)領(lǐng)域，展現(xiàn)出其獨特的技術(shù)靈活性。可以說，基于直升機的人機環(huán)繞式低空作戰(zhàn)將成為航空兵和特種作戰(zhàn)部隊未來的主要作戰(zhàn)方式。

在直升機的各類作戰(zhàn)場景中，傘降作為其中重要的一環(huán)，能夠顯著拓展兵員的作戰(zhàn)方式，提升其跨越式、隱蔽式戰(zhàn)場作戰(zhàn)能力。同時，相較于大型固定翼運輸機傘降需要大型機場、多人員保障的問題，直升機傘降能夠更為精準、靈活、隱蔽地將作戰(zhàn)人員投送至指定區(qū)域，尤其適用于森林、高原、山地等復雜地形的各類特種任務(wù)。

直升機傘降包括尾門跳傘和側(cè)門跳傘兩種模式，如圖1所示。尾門跳傘方式已經(jīng)過多型機驗證，具備良好的技術(shù)成熟度。然而，采用尾門跳傘需在機場對尾門進行拆除，以保證飛行過程中的主機穩(wěn)定性。該方法的準備時間長，且任務(wù)完成后還需恢復尾門狀態(tài)，不利于直升機快速切換任務(wù)界面。

圖1 尾門傘降與側(cè)門傘降示意圖

為此，基于某中型直升機側(cè)門傘降任務(wù)，開展了產(chǎn)品設(shè)計和安全性評估。但僅完成安全性評估尚不足以對側(cè)門跳傘的全過程人、傘、機狀態(tài)進行合理預(yù)測?？紤]到直升機旋翼下洗流在兩側(cè)艙門處可能引起的氣流擾動差異，對傘降過程中的人、傘運動仍不明晰，本文將直升機側(cè)門傘降任務(wù)狀態(tài)下的三維定常流場特征和人、傘運動狀態(tài)進行耦合分析，探究直升機旋翼和前飛帶來的氣流在艙門兩側(cè)的特異性，獲得直升機側(cè)門傘降時兩側(cè)開傘的差異性。

1 傘降運動分析

通過對直升機側(cè)門傘降任務(wù)進行分析，可以將其分為人員出艙、開傘和穩(wěn)定下降三個階段。其中，在人員出艙階段，傘降人員坐在側(cè)艙門處，身體向前傾倒，通過改變自身重心位置完成出艙動作。由于降落傘尚未張開，人員在航向方向可看作受前向風阻的帶初速的變減速運動。在豎直方向考慮氣流風阻后，人員運動可看作為變加速落體運動[1]。

如圖2所示，空降兵常用的降落傘主要由開傘拉繩、傘包、背帶系統(tǒng)、主傘、副傘和手動開傘拉環(huán)組成。在開傘階段，根據(jù)副傘的特點又可分為引導傘開傘和穩(wěn)定傘開傘兩種模式[2]。傘降人員跳傘出艙后，先在開傘拉繩的牽引作用下打開傘包，副傘彈出并充氣展開；此時引導傘立即牽引主傘從傘包中脫出進行充氣展開；而穩(wěn)定傘會在計時器作用下穩(wěn)定一段時間后再行牽引主傘。

圖2 降落傘組成示意

根據(jù)上述降落傘開傘過程分析可知，在地面坐標系中觀察，無論副傘采用何種模式對主傘進行牽引，其在航向和縱向均無法產(chǎn)生上揚分力。換言之，副傘牽引主傘的階段基本對主機的運動無影響，降落傘與直升機可能存在交互關(guān)系的主要階段為副傘彈出和充氣展開的過程。因此，本文有針對性地抽取副傘彈出的過程進行運動分析。

在副傘彈出階段，人員和傘宏觀上相對直升機做后下方的變速運動，人、傘之間做變減速相對分離運動。根據(jù)GJB 2873-1997《軍事裝備和設(shè)施的人機工程設(shè)計準則》中坐姿人體尺寸信息和某典型降落傘的產(chǎn)品尺寸信息可得，人員側(cè)面投影面積Sr=0.327 m2，傘包側(cè)向投影面積Ss=0.144 m2，則傘降人員側(cè)面總迎風面積為：

S=Ss+Sr=0.471 m2

(1)

同時考慮到傘降人員裝備帶來的風阻，取1.2倍系數(shù)并向上化簡，得傘降人員最終迎風面積S=0.57 m2。

在t時間后，直升機航向運動距離S1x：

S1x=V0·t

(2)

傘降人員z向下落距離S2z：

(3)

傘降人員受到的航向風阻F：

(4)

其中ρ為空氣密度，K為阻力系數(shù)，Vx為傘降人員的合速度，根據(jù)其所受風阻迭代計算。

副傘彈出的過程中，根據(jù)上文所述，人、傘之間做相對分離運動，無法看成一個固聯(lián)體進行穩(wěn)態(tài)分析，因此需單獨計算副傘的運動軌跡。根據(jù)本文選取的降落傘副傘自身特性和極限工況提出如下假設(shè)：

副傘開傘前與人員運動速度、加速度相同；

副傘開傘瞬間在航向來流的沖擊作用下傘面與氣流呈垂直態(tài)；

副傘充氣張滿時間tk≤0.5 s；

副傘受到的航向風阻Fs：

(5)

其中，Sw為副傘展開后的迎風面積，Vs為副傘的合速度，根據(jù)其所受風阻迭代計算。

人、傘之間的作用力Fw為：

(6)

其中，v1為人、傘間相對運動速度。

根據(jù)公式(1)-(6)，聯(lián)立常規(guī)物體運動學方程，取時間步長為0.001 s迭代計算，可得副傘彈出階段的人傘位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 人傘位置示意圖

圖中細線為人員運動軌跡，粗線為降落傘傘端運動軌跡。

分析圖3的人、傘運動規(guī)律并結(jié)合公式(6)中的參數(shù)可知，當處于不同的流場狀態(tài)條件時，氣體速度是影響人、傘的相對運動距離的重要參數(shù)。同時考慮到副傘的張開方向是與流場狀態(tài)強相關(guān)的，圖3所示的人傘相對位置可能發(fā)生在以航向為軸的整體包絡(luò)區(qū)間內(nèi)。因此，兩側(cè)艙門的傘降人員在副傘彈出過程中的人、傘狀態(tài)仍不明晰，需要建立兩側(cè)艙門流場進行疊加分析。

2 流場建立及兩側(cè)艙門差異性分析

根據(jù)上文所述，使用ANSYS FLUENT軟件對直升機150 km/h平飛條件下的流場進行了三維仿真計算。將原點置于艙門地板中央，取旋翼上端為氣流速度入口并簡化為旋轉(zhuǎn)氣流模型；考慮側(cè)門傘降特征，刪除直升機艙門，模擬艙門開啟狀態(tài)下的傘降任務(wù)[3-4]。選擇Realizablek-ε湍流模型進行計算，出口邊界選取大氣壓壓力出口。仿真示意如圖4所示。

圖4 直升機側(cè)門傘降流場仿真

在艙門靠近地板0.3 m的高度處，沿X方向取3個位置，觀察兩側(cè)艙門的氣流合速度數(shù)值及分布如圖5所示，兩側(cè)艙門處的氣體流速確實存在一定差異。觀察可知，從艙門口向外，氣流速度先呈現(xiàn)急劇加速趨勢，約距1.5 m后，風速趨于穩(wěn)定，且航向左側(cè)和航向右側(cè)的氣流合速度峰值相近。但隨著距離的繼續(xù)增加，航向右側(cè)艙門的氣流合速度相較于航向左側(cè)艙門氣流速度明顯偏小約8～10 m/s。此區(qū)域恰為人員出艙開傘初期的作用位置，相對較小的風速能夠一定程度上避免降落傘初期充氣過快導致的扭結(jié)或撕裂危險，側(cè)面說明了航向右側(cè)傘降安全性可能更好。然而僅通過合速度數(shù)值并不能完全表征開傘區(qū)域的氣流狀態(tài)，仍需針對兩側(cè)艙門的氣流狀態(tài)進行進一步研究。

為了更為直觀地看出兩側(cè)艙門的流場差異，圖6給出了兩側(cè)艙門處的三維流線圖。從中能夠明顯看出，當氣流通過右側(cè)艙門時的順暢性要遠強于通過左側(cè)艙門時，且其氣流的擾動、變化和交叉明顯小于左側(cè)。這表明，在側(cè)門傘降過程中，副傘的開傘狀態(tài)在右側(cè)艙門更容易趨于一致化；而在左側(cè)艙門跳傘時，受復雜渦流擾動影響，副傘開啟時的路徑更難以預(yù)測。在此前提下，少量人員執(zhí)行直升機側(cè)門傘降任務(wù)時，更推薦在右側(cè)艙門進行跳傘。

圖5 艙門附近氣流合速度分布

圖6 直升機兩側(cè)艙門三位流線圖

將艙門上端定義為A區(qū)，艙門下端定義為B區(qū)。通過仿真分析可知，兩側(cè)艙門的A區(qū)氣流均由艙內(nèi)向艙外運動，B區(qū)氣流由艙外向艙內(nèi)運動。為了更為直觀地觀察A、B區(qū)的狀態(tài)，選取典型切面繪制如圖7所示的流線圖。分析圖7可以發(fā)現(xiàn)，左側(cè)艙門的A區(qū)擾動顯著強于右側(cè)艙門，并且在人員乘坐區(qū)域產(chǎn)生了明顯的大渦流。

圖7 典型切面艙內(nèi)流線分布

這對于人員的出艙和副傘的開啟均是不利的。對比兩側(cè)B區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，在右側(cè)艙門的B區(qū)基本僅保留了航向來流，而左側(cè)艙門仍存在有向內(nèi)的速度流，這對人員和器材的就位和出艙均有一定的不良影響。

3 結(jié)論與展望

本文首先根據(jù)直升機側(cè)門傘降任務(wù)特點進行了傘降過程分析，抽取了副傘彈出階段作為研究對象，結(jié)合氣體動力學和運動學公式，給出了該階段人、傘的運動特點并進行了計算和軌跡繪制。根據(jù)人傘位置結(jié)果，指出了運動分析的局限性，提出了疊加流場的分析目標。利用FLUENT軟件對直升機兩側(cè)艙門流場進行建模，抓取合速度分布、三維流線、典型切面流場進行分析，得到如下結(jié)論：

1) 直升機兩側(cè)艙門流場狀態(tài)不同，其在副傘彈出階段對傘端運動的影響存在顯著差異性；

2) 右側(cè)艙門的氣流合速度小于左側(cè)艙門，一定程度上利于穩(wěn)定開傘；

3) 右側(cè)艙門的氣流穩(wěn)定性更強，流場流線更為順暢，此向執(zhí)行傘降任務(wù)的開傘一致性更好；

4) 左側(cè)艙門上端更易產(chǎn)生渦流，下端向艙內(nèi)的氣流分量更大，對設(shè)備和器材的布置、使用的影響更大。

綜上所述，直升機兩側(cè)艙門流場的差異性較為明顯，右側(cè)傘降受到的氣流擾動明顯小于左側(cè)。在小批量人員傘降任務(wù)的執(zhí)行中更推薦使用右側(cè)傘降方式，其安全性和可靠性更好。在大批量人員傘降時，及時觀察左側(cè)傘降人員的傘端運動軌跡，若過分偏向直升機則應(yīng)及時調(diào)整飛行姿態(tài)或改為全右側(cè)傘降。