翼伞空中回收系统的研究及其进展
史献林 余 莉
(南京航空航天大学,航空宇航学院,南京 210016)
摘 要 文章介绍了早期圆形伞空中回收系统的成果和不足;分析了接合伞稳定性的影响因素;论述了新型的翼伞空中回收系统的组成、优势、工作过程和关键技术,并对其应用前景进行了展望。
关键词 空中回收 翼伞 串联伞 航天器
The Study and Development of the Parafoil Mid -Air Retrieval System
Shi Xianlin Yu Li
(Nanjing Universi ty of Aeronautics and Astronau tics,Nanjing 210016)
Abstract This paper introduced the le gac y of the early circle parachute Mid-Air Retrie val system,discussed the influencing factor on the stability of the engage ment parachute,dealt with the ne w parafoil Mid-Air Retrieval system on its c omposition,advantages,working process,key technology and application prospect.
Key Words Mid-air retrieval Parafoil Tande m parachute Spacecraft 收稿日期:2007-11-05
1 引言
从20世纪60年代起,空中回收(MAR,Mid-Air Retrieval)系统以无冲击、精确、快速、可靠性高等优点,在无人机、巡航导弹、卫星、航天器返回舱等高价值载荷回收中,得到广泛应用。MAR 系统按照使用的主伞伞形不同,可以分为圆形伞MAR 系统[1-9]和翼伞MAR 系统[10-13]。前者从20世纪60年代回收卫星到1989年回收空射巡航导弹(ALC M,Air -Launched Cruise Missile)回收试验为止;后者从1990年中距离无人机(MRUAV,Mid-Range Unmanned Air Vehicle)回收计划至今。翼伞MAR 系统继承了圆形伞MAR 系统的基本形式和技术成果,极大地提高了接合伞稳定性和载荷质量,受到美国军方、NASA 和美国军工企业的重视和推广。
2 圆形伞MAR 系统
2.1 圆形伞MAR 系统的成果和不足
圆形伞MAR 系统主要由回收飞机、绞盘、吊杆、挂钩和降落伞等组成[1-2],见图1。降落伞先后有单伞、带延伸部的底边延伸伞、串联伞、环形/环帆伞等形式,主要采用串联伞形式。以使用串联伞的回收过程的第29卷第1期
2008年3月航天返回与遥感SPACEC RAFT RECOVERY &REMOTE SENSI NG 1
为例,飞行员首先根据测控和跟踪系统提供的数据,飞向载荷,观测到载荷后,飞机接近主伞上方的接合伞(图2(a)),使用挂钩勾挂接合伞,绞盘控制冲击载荷,飞机爬升(图2(b)),承载绳张紧,脱离机构工作,主伞失效或抛弃(图2(c)),飞机悬挂着载荷,运往目的地(图2(d))
。
图1 圆形伞MAR 系统的伞系统结构形式
(a)单伞;(b)带延伸部的底边延伸伞;(c)串联伞;(d)环形/
环帆伞
图2 圆形伞MAR 系统回收过程示意图
圆形伞MAR 系统确定了空中回收的基本形式,满足了高价值载荷在回收中的特殊要求,同时也存在一些不足:1)接合伞不稳定性造成可靠性降低;2)勾挂时相对速度较大,需要绞盘控制瞬间冲击载荷;3)由于绞盘能力有限,限制了载荷质量增加;4)需要改装直升机以安装绞盘和吊杆;5)圆形伞滑翔能力低,轨迹几乎垂直,勾挂时接合伞位于直升机下方,非常影响飞行员视野,对进行勾挂操作很不利等。这些制约了载荷的增加和MAR 的广泛使用。
2.2 接合伞的稳定性
接合伞的稳定性是勾挂成功的关键因素。通过试验和分析,主要影响因素有:1)接合伞位于主伞后上方,直接受到主伞尾流的影响;2)主伞的滑翔性和稳定性,如主伞的偏航旋转;3)承载绳长度、接合伞阻力特征;4)风场的影响;5)飞机流场等。
2 航天返回与遥感2008年第29卷
图3 具有一定滑翔能力的主伞
1973年W.J.Everett 在密实伞衣的四分之一环向上,采用大透气量的网
状帆片(图3),使圆形主伞具有一定的滑翔能力[5]。同年,M.W.Higgins 等人
通过对比试验,证实滑翔性主伞的接合伞具有更好的稳定性;并建立了六自
由度运动学方程,发现接合伞运动轨迹成螺线形下滑,分析是由于滑翔性主
伞结构和气动力非对称,造成偏航旋转。随后试验中证实,当偏航转动速度
大于1.5rad/s 时,直升机定位和勾挂操作会非常困难[6]。1981年W.J.Ev -
erett 等人为空射巡航导弹开发了环形/环帆伞系统(图1(d)),将一个小型的
环帆伞伞衣,直接通过承载绳束,紧密连接在环形主伞的顶孔上方,由于主
伞顶孔漏气作用,具有非常好的稳定性。这种改进型串联伞稳定性、阻力特
性和回收质量都有所提高[7]。然而到1989年试验成功后,由于经费原因,美
国军方停止了空中回收任务。
在应用中常采取下列方法提高接合伞稳定性:1)在满足阻力要求的前
提下,增加主伞的滑翔性能,如采用翼伞;2)采用稳定性好的伞型作接合伞,如环缝伞、环帆伞;3)调整承载绳长度,使接合伞位于主伞尾流区以外,但承载绳过长反而容易摆动,需要综合考虑;4)增加接合伞阻力特征;5)采用环形/环帆伞组成的MAR 系统等。3 翼伞MAR 系统
3.1 翼伞MAR 系统的组成及优势
1990年Vertigo 公司在中距离无人机计划中,首次使用翼伞代替圆形伞[10,12]。1997年,Vertigo 公司开始为NASA 的创世纪太空飞船样品返回舱计划,进行翼伞MAR 方案论证,经过一系列的试验飞行,取得重大成功[11-12]。
Ve rtigo 公司在圆形伞MAR 系统基础上,结合上述两个研究计划,开发了翼伞MAR 系统[12-13],见图4
。图4 翼伞MAR 系统示意图
图注:1-载荷;2-翼伞;2-1-滑动收口装置;3-承载绳;4-接合伞
5-直升机;6-吊索;7-多爪钩第1期史献林 等:翼伞空中回收系统的研究及其进展3
