冲压翼伞结构形状的气动特性分析

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【摘 要】 本文介绍了当代冲压翼伞的结构、外形特点及工作原理，从低速翼型的气动特性入手，重点从理论上分析了“椭圆”外形及弧形结构对翼伞性能的影响，对冲压翼伞的设计具有一定的指导意义。

【关键词】 冲压翼伞 低速翼型 升力线理论

1 前言

翼伞技术是在降落伞技术的基础上发展起来的，它继承了降落伞技术在理论和实践方面的经验和成果，在高空跳伞、精确空投、滑翔运动等方面得到广泛应用。滑翔翼伞作为一种航空运动器材，为许多富有冒险精神的人们实现了翱翔蓝天的梦想，在世界上被广为传播，滑翔运动的开展同时促进了翼伞性能的不断提高，吸引了越来越多的飞行爱好者。冲压翼伞的飞行和设计在我国起步较晚，翼伞技术在理论上还存在许多未知的领域，给我们的设计工作带来一些困难，因此需要去研究和探索，逐步实现从仿制到自主设计的过渡。本文重点就冲压翼伞的外形对性能的影响从理论上进行了分析。

2 冲压翼伞的结构及工作原理

冲压翼伞是由织物制成的柔性部件。它由上、下翼面及翼肋构成，翼肋将翼伞沿展向分成许多气室，肋片上都有通气孔。翼伞的前缘沿展向均是开口的（有的翼伞在两端有几个封闭气室）。冲压空气由开口进入气室，使气室内的压强大于气室外的压强，伞衣便张满，使翼伞剖面达到所设计的翼型形状。肋片上的通气孔可使空气从一个气室流到另一个气室，使各气室的压力保持平衡。

张满后的翼伞形同一个机翼，它产生空气动力的原因与一般平直机翼相同，即上翼面的空气流速快，形成低压，下翼面空气流速慢，形成高压，上、下翼面形成压差，产生空气动力和力矩。

翼伞在外形的设计上历经了一个逐渐成熟的过程。初级的冲压翼伞设计成较平直的矩形形状，在滑翔比要求不高的情况下仍然继续使用这样的结构，而当今的中高级滑翔翼伞在外形上有一个共同的特点，即平面形状为近似的椭圆形状，而伞衣张满后沿展向成一弧形，这一设计对提高翼伞的性能起到了非常关键的作用。下面将分别进行分析。

3 低速翼型的气动特性

（1）“椭圆”平直翼的升力线斜率比剖面的升力线斜率小，但随着λ的增加而增大，当λ∞时，。

（2）诱导阻力系数与成正比，与λ成反比。

所以为增大机翼的升阻比，低速飞机一般采用的是大展弦比机翼。同样的道理，为增大滑翔比，目前的高级滑翔伞均采用大的展弦比（λ>5）。

5 弧形结构对翼伞性能的影响

为了提高翼伞的性能，设计师们采用类似“椭圆”外形，增大展弦比、采用薄翼型等措施，这些措施固然可减小翼伞阻力，但翼伞气室内的充气压力不足以克服伞绳使伞衣向内“收”的力，从而使伞衣保持沿展向的刚性。为了解决这一问题，设计师们将翼伞设计成弧形结构，即伞衣张满后沿展向有一弧度，如图2，现代滑翔翼伞结构如图3。

（1）在展长一定的情况下，若翼伞弧形的弧度越大，则投影面积越小，而H越大，即升力越小，侧向力越大。而侧向力的作用正是克服伞绳使伞衣向内“收”的力，使伞衣保持沿展向的刚性。因此在此情况下，虽然翼伞沿展向的刚性较好，但升力损失较大。

（2）若翼伞张满后没有弧度，则，即为平直翼的情况，此时，即侧向力为零。此时虽然升力没有损失，但沿展向的刚性较差。

虽然以上的分析是在一系列假设的情况下进行的，但是这些假设并不影响分析结果的正确性。而实际情况要复杂得多。因为“椭圆”形状的翼伞弦长沿展向是变化的；伞衣张满后不完全是一段规则的圆弧；并且弧形翼伞迎角沿展向也是变化的。所以实际上是“椭圆”弧形翼的求解问题，但是仍然可以采用同样的方法进行研究。

6 结语

冲压翼伞从初级伞发展到高级伞，设计师们主要从两个方面进行了改善，即在提高滑翔比的同时，保持伞衣足够的刚性。“椭圆”平面形状的采用，对提高滑翔比起到了重要的作用；而带有弧度的伞衣形状的设计，对提高翼伞的刚性和稳定性至关重要，但是必然损失一部分升力。因为翼伞的设计作为一项系统工程，提高某一项性能，是以损失另外一些性能为代价的。设计师们所追求的就是既要得到较大的升阻比，又要保持伞衣足够的刚性。因此以系统的观点考虑问题在此同样显得尤为重要。

参考文献：

[1]《飞行器空气动力学》，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学合编.

[2]《飞行器气动特性分析与工程计算》.西北工业大学出版社.

[3]《降落伞理论与应用》.宇航出版社.

[4]《空降技术》.1979年第1期.

[5]《降落伞技术》.1988年.

[6]《回收系统设计指南》.航空工业出版社.