直升机两侧舱门伞降差异性分析

赵兀君，成 德

(1.海装驻南昌地区军事代表室，江西 南昌 330000;2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

为适应国家安全需要，进一步提升国土防卫能力，应对全天候、全领域的总体作战要求，维护国家利益，遏制强敌拓展，具备垂直起降、悬停等灵活机动特性的直升机愈发成为陆、空协同作战体系的重要组成部分，特别是在担负多方向、多维度、多领域的跨海登岛、抢滩登陆、反恐维稳和抢险救灾领域，展现出其独特的技术灵活性。可以说，基于直升机的人机环绕式低空作战将成为航空兵和特种作战部队未来的主要作战方式。

在直升机的各类作战场景中，伞降作为其中重要的一环，能够显著拓展兵员的作战方式，提升其跨越式、隐蔽式战场作战能力。同时，相较于大型固定翼运输机伞降需要大型机场、多人员保障的问题，直升机伞降能够更为精准、灵活、隐蔽地将作战人员投送至指定区域，尤其适用于森林、高原、山地等复杂地形的各类特种任务。

直升机伞降包括尾门跳伞和侧门跳伞两种模式，如图1所示。尾门跳伞方式已经过多型机验证，具备良好的技术成熟度。然而，采用尾门跳伞需在机场对尾门进行拆除，以保证飞行过程中的主机稳定性。该方法的准备时间长，且任务完成后还需恢复尾门状态，不利于直升机快速切换任务界面。

图1 尾门伞降与侧门伞降示意图

为此，基于某中型直升机侧门伞降任务，开展了产品设计和安全性评估。但仅完成安全性评估尚不足以对侧门跳伞的全过程人、伞、机状态进行合理预测。考虑到直升机旋翼下洗流在两侧舱门处可能引起的气流扰动差异，对伞降过程中的人、伞运动仍不明晰，本文将直升机侧门伞降任务状态下的三维定常流场特征和人、伞运动状态进行耦合分析，探究直升机旋翼和前飞带来的气流在舱门两侧的特异性，获得直升机侧门伞降时两侧开伞的差异性。

通过对直升机侧门伞降任务进行分析，可以将其分为人员出舱、开伞和稳定下降三个阶段。其中，在人员出舱阶段，伞降人员坐在侧舱门处，身体向前倾倒，通过改变自身重心位置完成出舱动作。由于降落伞尚未张开，人员在航向方向可看作受前向风阻的带初速的变减速运动。在竖直方向考虑气流风阻后，人员运动可看作为变加速落体运动[1]。

如图2所示，空降兵常用的降落伞主要由开伞拉绳、伞包、背带系统、主伞、副伞和手动开伞拉环组成。在开伞阶段，根据副伞的特点又可分为引导伞开伞和稳定伞开伞两种模式[2]。伞降人员跳伞出舱后，先在开伞拉绳的牵引作用下打开伞包，副伞弹出并充气展开；
此时引导伞立即牵引主伞从伞包中脱出进行充气展开；
而稳定伞会在计时器作用下稳定一段时间后再行牵引主伞。

图2 降落伞组成示意

根据上述降落伞开伞过程分析可知，在地面坐标系中观察，无论副伞采用何种模式对主伞进行牵引，其在航向和纵向均无法产生上扬分力。换言之，副伞牵引主伞的阶段基本对主机的运动无影响，降落伞与直升机可能存在交互关系的主要阶段为副伞弹出和充气展开的过程。因此，本文有针对性地抽取副伞弹出的过程进行运动分析。

在副伞弹出阶段，人员和伞宏观上相对直升机做后下方的变速运动，人、伞之间做变减速相对分离运动。根据GJB 2873-1997《军事装备和设施的人机工程设计准则》中坐姿人体尺寸信息和某典型降落伞的产品尺寸信息可得，人员侧面投影面积Sr=0.327 m2，伞包侧向投影面积Ss=0.144 m2，则伞降人员侧面总迎风面积为：

S=Ss+Sr=0.471 m2

(1)

同时考虑到伞降人员装备带来的风阻，取1.2倍系数并向上化简，得伞降人员最终迎风面积S=0.57 m2。

在t时间后，直升机航向运动距离S1x：

S1x=V0·t

(2)

伞降人员z向下落距离S2z：

(3)

伞降人员受到的航向风阻F：

(4)

其中ρ为空气密度，K为阻力系数，Vx为伞降人员的合速度，根据其所受风阻迭代计算。

副伞弹出的过程中，根据上文所述，人、伞之间做相对分离运动，无法看成一个固联体进行稳态分析，因此需单独计算副伞的运动轨迹。根据本文选取的降落伞副伞自身特性和极限工况提出如下假设：

副伞开伞前与人员运动速度、加速度相同；

副伞开伞瞬间在航向来流的冲击作用下伞面与气流呈垂直态；

副伞充气张满时间tk≤0.5 s；

副伞受到的航向风阻Fs：

(5)

其中，Sw为副伞展开后的迎风面积，Vs为副伞的合速度，根据其所受风阻迭代计算。

人、伞之间的作用力Fw为：

(6)

其中，v1为人、伞间相对运动速度。

根据公式(1)-(6)，联立常规物体运动学方程，取时间步长为0.001 s迭代计算，可得副伞弹出阶段的人伞位置关系如图3所示。

图3 人伞位置示意图

图中细线为人员运动轨迹，粗线为降落伞伞端运动轨迹。

分析图3的人、伞运动规律并结合公式(6)中的参数可知，当处于不同的流场状态条件时，气体速度是影响人、伞的相对运动距离的重要参数。同时考虑到副伞的张开方向是与流场状态强相关的，图3所示的人伞相对位置可能发生在以航向为轴的整体包络区间内。因此，两侧舱门的伞降人员在副伞弹出过程中的人、伞状态仍不明晰，需要建立两侧舱门流场进行叠加分析。

根据上文所述，使用ANSYS FLUENT软件对直升机150 km/h平飞条件下的流场进行了三维仿真计算。将原点置于舱门地板中央，取旋翼上端为气流速度入口并简化为旋转气流模型；
考虑侧门伞降特征，删除直升机舱门，模拟舱门开启状态下的伞降任务[3-4]。选择Realizablek-ε湍流模型进行计算，出口边界选取大气压压力出口。仿真示意如图4所示。

图4 直升机侧门伞降流场仿真

在舱门靠近地板0.3 m的高度处，沿X方向取3个位置，观察两侧舱门的气流合速度数值及分布如图5所示，两侧舱门处的气体流速确实存在一定差异。观察可知，从舱门口向外，气流速度先呈现急剧加速趋势，约距1.5 m后，风速趋于稳定，且航向左侧和航向右侧的气流合速度峰值相近。但随着距离的继续增加，航向右侧舱门的气流合速度相较于航向左侧舱门气流速度明显偏小约8～10 m/s。此区域恰为人员出舱开伞初期的作用位置，相对较小的风速能够一定程度上避免降落伞初期充气过快导致的扭结或撕裂危险，侧面说明了航向右侧伞降安全性可能更好。然而仅通过合速度数值并不能完全表征开伞区域的气流状态，仍需针对两侧舱门的气流状态进行进一步研究。

为了更为直观地看出两侧舱门的流场差异，图6给出了两侧舱门处的三维流线图。从中能够明显看出，当气流通过右侧舱门时的顺畅性要远强于通过左侧舱门时，且其气流的扰动、变化和交叉明显小于左侧。这表明，在侧门伞降过程中，副伞的开伞状态在右侧舱门更容易趋于一致化；
而在左侧舱门跳伞时，受复杂涡流扰动影响，副伞开启时的路径更难以预测。在此前提下，少量人员执行直升机侧门伞降任务时，更推荐在右侧舱门进行跳伞。

图5 舱门附近气流合速度分布

图6 直升机两侧舱门三位流线图

将舱门上端定义为A区，舱门下端定义为B区。通过仿真分析可知，两侧舱门的A区气流均由舱内向舱外运动，B区气流由舱外向舱内运动。为了更为直观地观察A、B区的状态，选取典型切面绘制如图7所示的流线图。分析图7可以发现，左侧舱门的A区扰动显著强于右侧舱门，并且在人员乘坐区域产生了明显的大涡流。

图7 典型切面舱内流线分布

这对于人员的出舱和副伞的开启均是不利的。对比两侧B区可以发现，在右侧舱门的B区基本仅保留了航向来流，而左侧舱门仍存在有向内的速度流，这对人员和器材的就位和出舱均有一定的不良影响。

本文首先根据直升机侧门伞降任务特点进行了伞降过程分析，抽取了副伞弹出阶段作为研究对象，结合气体动力学和运动学公式，给出了该阶段人、伞的运动特点并进行了计算和轨迹绘制。根据人伞位置结果，指出了运动分析的局限性，提出了叠加流场的分析目标。利用FLUENT软件对直升机两侧舱门流场进行建模，抓取合速度分布、三维流线、典型切面流场进行分析，得到如下结论：

1) 直升机两侧舱门流场状态不同，其在副伞弹出阶段对伞端运动的影响存在显著差异性；

2) 右侧舱门的气流合速度小于左侧舱门，一定程度上利于稳定开伞；

3) 右侧舱门的气流稳定性更强，流场流线更为顺畅，此向执行伞降任务的开伞一致性更好；

4) 左侧舱门上端更易产生涡流，下端向舱内的气流分量更大，对设备和器材的布置、使用的影响更大。

综上所述，直升机两侧舱门流场的差异性较为明显，右侧伞降受到的气流扰动明显小于左侧。在小批量人员伞降任务的执行中更推荐使用右侧伞降方式，其安全性和可靠性更好。在大批量人员伞降时，及时观察左侧伞降人员的伞端运动轨迹，若过分偏向直升机则应及时调整飞行姿态或改为全右侧伞降。