低空无伞无损空投包装设计及其自稳和缓冲性能验证

贾山 高翔宇 陈金宝* 王永滨

低空无伞无损空投包装设计及其自稳和缓冲性能验证

贾山1,2,3高翔宇1,2,3陈金宝*1,2,3王永滨1,3,4

（1 南京航空航天大学航天学院，南京 211106）（2 深空星表探测机构技术工信部重点实验室，南京 211106）（3 航天进入减速与着陆技术实验室，南京 211106）（4 北京空间机电研究所，北京 100094）

无伞空投具有准备时间短、投送迅速、包装简单、受气象影响小、着陆散布小、可重复利用等优点，成为未来救灾工作中装备物资保障方式的一种新型空投方式。基于某运用需求，文章给出了一种低空无伞无损空投包装设计方案，并针对单/双层的风阻结构设计与偏质心程度对下落过程的影响，进行了对比分析；同时，对拉杆结构在触地缓冲过程中的吸能效果进行了仿真分析。该设计可基于自主展开的柔性风阻结构和偏质心特性，实现下落过程的姿态自稳；将50m高度空投的落地精度控制在了0.1m范围内，并将落地缓冲过程的最大过载限制在2 500n以内。该设计为面向低空空投的空投包装提供了一种解决方案。

低空空投 无伞空投 姿态自稳 缓冲吸能 返回技术

0 引言

空降空投是指从运输机或直升机上将人员、物资或装备投送至地面或水面预定区域的行动，其装备主要用于救灾以及边远地区运输等领域[1]。传统的空投采用降落伞对物资进行投放，投放精度受高度以及风场影响较大，所需的降落区域面积大[2-3]，而无伞空投是指装备物资不系降落伞，直接从飞行器上投掷的方式[4]。无伞空投凭借其具有准备时间短、投送迅速、包装简单、受气象影响小、着陆散布小、可重复利用等优点，逐渐成为未来救灾行动中装备物资保障方式的发展趋势[5]。目前，无伞空投的研究方向主要有两个：现有空投包装的结构优化[6-7]、研制新型缓冲装置[8-10]。

国外相关高效空投研究起步较早，但其主要研究方向为基于预测和控制的精准空投技术，例如美国空军提出的先进的精确空投系统（APADS）[3]，其利用“智能化”技术来控制投放各种补给和装备，由各种自主导引的滑翔式减速器系统组成，可以在各种不良天气条件下（如夜晚、雾天）执行任务。通过采用最新的制导技术和传感技术（例如：GPS和红外风传感器），精确空投系统的空投高度可以达到7km，空投落点（Circular error probability，CEP）可以达到百米范围内[11]。加拿大的“Sherpa”精确空投系统[12]，该系统是结合基于预测和基于抗干扰这两种精确空投系统。既有先期的着落轨迹，也能够在飞行过程中进行控制。

目前，国内对于无伞空投的研究大部分还停留在理论研究以及仿真分析阶段，现有的较成熟的无伞空投包装多利用缓冲气囊作为缓冲设备进行缓冲[13-14]，且研究重点侧重于充气结构设计[15-17]。缓冲气囊的优点在于可以重复使用，且具有较强的地面适应能力[18-19]，好的气囊系统可以减小物资本体所受的冲击力，避免内部物资的损坏[20]，但缓冲气囊技术也有诸如缓冲行程有限以及控制精度不高等缺点[21]。赵西有等通过对缓冲包装材料的深入研究和缓冲包装方式的科学设计，研制了一种液体类食用物资空投缓冲包装，可在200m的高空成功无伞空投[22]；刘胜祥等采用蜂窝纸板为结构材料制作包装箱，完成了小体积低质量物资的低空无伞空投，结果表明，该无伞空投包装箱具有可靠性高、费用小、可回收重复利用的优点[23]；王宏等设计了一种双层高强度聚丙烯材料的包装方案，研究了包装袋从200m高空着陆冲击过程中包装袋形状变化及应力的变化过程，找出了可能对包装袋造成破坏的原因和最容易破坏的部位，并验证了双层高强度聚丙烯材料包装方案的可行性[24]。

鉴于现有大部分中等质量固体的低空无伞空投均为针对缓冲气囊进行的研究。为此，本文以现有直升机空投设计为基础，拟设计一套空投包装系统方案，方案内包括空投包装支架以及空投包装本体。其中空投包装支架可保证空投初始下落姿态，而空投包装本体则是一种全新的利用“偏质心”本体（质心在本体轴线上相较形心靠近空投本体下端面一侧）以及柔性风阻结构在空中保持姿态，并利用泡沫铝以及拉杆吸能机构进行缓冲的无伞无损空投包装。同时为验证包装本体可用性，对空投包装本体利用有限元流体力学计算软件ANSYS Fluent和有限元力学计算软件ANSYS Workbench中的显式动力学计算模块分别进行了下落过程以及触地瞬间缓冲元件的分析，成功完成了20kg物资在50m空中的无伞空投任务，保证了物资的安全，为面向低空空投的空投包装提供了一种新的解决方案。

1 设备器材无伞无损空投包装设计

1.1 设计指标及要求

本文中所设计的空投包装以设备器材等触地冲击耐受性较差且具有一定精密度的物资为对象，面向任务，提出如下的性能指标：

1）空投高度≤50m；

2）物资净质量≤20kg；

3）触地缓冲阶段峰值过载<2 500n。

1.2 整器设计方案

本文以直升机空投为例，依据1.1节中所提出的设计指标及要求，假设物资本体装在一圆柱形容器中。为最大程度利用直升机舱内空间，提高物资本体在空投包装中的体积占比，保证落地精度，现提出一种如图1所示的设备器材类物资无伞无损空投包装系统方案，该方案主要由待空投物资支架以及空投物资包装两部分组成。

图1 设备器材类物资无伞无损空投包装系统方案

由图1可看出，待空投物资支架可独立且方便地安置于执行空投任务的直升机舱内，也可以为待空投物资的摆放和抛投等作业提供操作界面，使得作业过程更加安全有序，也有利于保证被抛离机舱的被空投物资包装以期待的初始姿态开始下落，从而在触地缓冲过程中充分发挥该包装方案的吸能作用，从而保证了包装内仪器设备等物资的安全；空投物资包装即为放置被空投仪器设备等物资的容器，通过顶部可被动展开柔性风阻结构和本体“偏质心”结构等特殊设计，使得从支架上滑落的空投包装可在特定的姿态范围内下落，且具备在下落过程中抵抗小幅扰动（例如横风等）的能力，从而以近乎竖直的姿态完成触地，充分发挥其内部吸能材料的性能，即只需要在竖直方向上设计专门的缓冲吸能结构，相较于传统空投需要在物资周边全方位包裹缓冲吸能材料的设计具备更高的空间和材料利用效率，有助于在满足装载能力的前提下实现包装结构的轻量化和紧凑化。整体工作流程如图2所示。

图2 无损空投包装工作流程图

1.3 物资支架设计方案

依据1.2节中提出的整体方案，图3为待空投物资支架的初步设计方案，其主要功能部件为被动展开柔性结构限位杆和空投物资包装滑轨。在朝向机舱内方向的起始端，限位杆呈喇叭口造型，有助于在空投作业时将被空投的物资包装快速、准确、平稳地放置在滑轨上；滑轨主要功能是托举处于队列状态的待空投物资包装，可在其上设计专门的“凹槽+滑轮”组件，有助于减轻执行空投任务时的人员作业强度，将拎起—平移—抛投的动作模式转换为简单的平推，滑轨的中后段特别设计为两段圆弧外切形成的平滑过渡下降坡道，可使得被推移至该位置的物资包装在重力势能差作用下加速，拉大与紧随其后的物资包装之间的间隔，在保证物资包装从机舱有序抛离的同时，有效避免空中碰撞造成的下落姿态失稳，引起触地缓冲吸能结构失效，导致所搭载的仪器设备的损坏。

图3 待空投物资支架设计方案

1.4 包装本体设计方案

依据1.2节中提出的整体方案，被动展开的风阻柔性结构处于收拢状态时的物资包装如图4所示，主要由风阻柔性结构卡箍、双层风阻柔性结构和“偏质心”本体等三部分组成。卡箍通过安全销锁定，用于束缚处于收拢状态的被动展开风阻柔性结构，当物资包装被安置于图3所示的支架滑轨上，风阻柔性结构的被动展开即处于支架限位杆的约束下，此时，可手动解除安全销并摘下卡箍；双层风阻柔性结构采用非金属弹性材料制成龙骨，采用轻质、高强度的超音速减速伞材料制成蒙皮，可在从支架上滑脱抛离后被动展开，实现风阻调姿功能；物资包装本体采用上、下分体式设计，上半部分采用轻质、高强度的高分子复合材料制成，主要用于保持包装本体结构的完整性，下半部分采用钛合金等高比强度金属材料制成，主要用于承受触地冲击过载，并通过设置于其中的缓冲吸能材料实现冲击能量的耗散，本体上、下两部分的质量差异使得本体呈现“偏质心”特点，有利于下落过程中姿态稳定和抵抗微幅扰动的能力；本体下半部分两侧有对称设计的挂耳结构，通过与支架滑轨的配合，实现物资包装在支架上的安放。

图4 风阻柔性结构处于收拢状态时的物资包装

图5为被动展开的风阻柔性结构处于展开状态时的物资包装，可见其在解除约束后被动展开的双层风阻柔性结构。上层风阻结构的展开角度较大，主要用于在下落初期（即刚刚抛离机舱时刻），物资包装本体纵轴（图5中物资包装的中心线）相对于重力方向有较大初始夹角时，提供足够的姿态自纠正气动阻力矩；下层风阻结构的展开角度较小，主要用于当物资包装本体下落姿态角度纠正到理想范围内后，提供较大的气动阻力矩，使得受到微幅扰动的本体维持稳定的下落姿态。同时，参考已有的风阻结构以及为保证风阻结构在离开物资支架后的正常工作，初步确定上层风阻结构与轴线夹角为75°，下层风阻结构与轴线夹角为60°。

图5 风阻柔性结构处于展开状态时的物资包装

1.4.1 双层风阻柔性结构设计

依据图5所示的空投物资包装，绘出下落过程的物资包装本体受力情况（如图6所示），本体高度为、重力为n、质心距底面为（<1/2，即所谓“偏质心”结构）。当本体沿重力方向竖直下落时，由于从图1所示支架上抛离时存在水平方向初始速度（虽然很小，但不能完全忽略），以及直升机飞行速度、空中横风气流等因素的影响，将存在一个初始姿态角max。

此时，由于本体遮挡效应，本体迎风面（图6中本体左侧部分）将承受比背风面（图6中本体右侧部分）更大的分布式气动阻力，与此同时，由于有更大的展开角度，双层风阻柔性结构中的上层部分将承受比下层部分更多的气动阻力，最终，本体上承受的气动阻力和风阻柔性结构上承受的气动阻力将形成一个合力，假设该合力与重力平行，且它们之间的距离为，则在本体质心处产生图6所示方向的回复力矩。

图6 物资包装本体在下落过程中的受力情况

当本体姿态逐渐往竖直的期望姿态偏转时，下层风阻柔性结构将逐渐承受越来越多的气动阻力，并且由于较小的展开角度，将产生“风兜”效应，从而实现下落过程中姿态的自恢复稳定性。

1.4.2 缓冲结构设计

依据所设计的空投物资包装，绘出图7所示的物资包装本体剖面图，其主要展示落地缓冲组件，该组件由本体外壳、内部容器、泡沫铝和拉杆等部分组成。本体外壳为图4所示的“偏质心”本体；内部容器是用于放置被空投仪器设备的空间，也是在触地缓冲过程中必须保证其结构完好且峰值过载系数不超过某一限制（据1.1节中要求，拟为2 500n）的核心部分；沿周向均布在外壳内壁上的拉杆是外壳和容器之间的接连结构，采用弹性模量适当、延展性较好的金属材料制成，当触地缓冲时，容器将在惯性作用下发生相对于外壳的竖直向下的运动，即通过拉杆的塑性变形实现容器动能的耗散；泡沫铝铺设在容器底部与外壳之间的位置，主要用于在拉杆结构失效时提供缓冲，使得传递到内部容器上的瞬时峰值过载系数限定在期望的范围内。

图7 物资包装本体剖面图

2 仿真验证

为确定所设计的“偏质心”本体结构、双层风阻柔性结构以及缓冲结构能否保证在下落过程中的稳定性以及空投包装安全落地，分别对下落过程以及触地瞬间进行有限元仿真验证。

2.1 下落过程稳定性仿真验证

2.1.1 模型建立与仿真初始条件给定

为验证图5所示的空投包装在下落过程中的调姿性能，在本节仿真中将其与普通单层风阻结构（仅保留所设计双层风阻结构的上层风阻结构）进行对比仿真。现给出其与单层风阻结构投影到竖直平面后的结构参数如图8所示。其中，与点分别代表两物资包装的质心位置。

图8 物资包装结构参数

在FLUENT软件中建立如图9所示的模型网格。其中，两种风阻结构均采用了全三角形网格，且在本体外表面层做了加密处理，整体网格比例因子为1.0，单元尺寸为100mm，具体加密后的网格参数如表1所示。

表1 风阻结构周边网格参数

Tab.1 Grid parameters around wind resistance structure

图9 物资包装本体周边网格

在本次仿真中，假设初始下落速度为0，即两空投包装本体均以最大45°的初始姿态角沿重力方向下落，同时给出两物资包装的质量及惯性条件如式（1）所示。其中，代表空投包装本体质量，单位为kg，则表示空投包装绕图9中垂直纸面方向旋转的惯量，单位为kg∙m2。

将两风阻结构物资包装均设置为刚体，同时设置动网格（跟随风阻结构在空间中位置及姿态变化进行网格更新）参数以及仿真模型边界及步长，设置仿真总时长为2s并开始仿真。

2.1.2 仿真过程及结果分析

为观察仿真过程，分别给出仿真进行到一半，即仿真时长为1s以及仿真结束，即仿真时长为2s时空投及其周边的空气速度分布图（如图10所示）。

图10 仿真过程图

仿真过程中两种空投包装的姿态角变化曲线如图11所示，振荡幅度数据如表2所示。从图表中可以看出，单层风阻结构初次完成姿态摆正在0.679s，而双层风阻结构完成初次姿态摆正的时间在0.644s，相较于单层风阻结构提前了0.035s，且初次振荡幅度比单层风阻结构小15.46°，但是双层风阻结构在第一次振荡后会加大振动幅度，为确定其在之后的下落过程中的状态，将仿真时长延长至4s并再次进行仿真。

仿真时间延长后，得到的仿真结果如图12～14所示，图12及图13中部分关键数据如表3、4所示。其中，图12表示的是两空投包装姿态角变化，从中可以看出，双层风阻结构振荡周期约为0.22s，相较于单层风阻结构0.52s的振荡周期更短，且当处于相同的振荡周期时，其振荡幅度比单层风阻结构小0～15°。

图13表示的是延长仿真中空投的横向漂移情况，从图13中可以看出，单层风阻结构的漂移距离随下落距离增加而增加，而双层风阻结构在下落35～40m时会反方向漂移（图中虚线框部分）。以50m的空投为例，在没有外界风干扰的理想情况下，双层风阻结构的落地精度要比单层风阻结构的精度高0.1m。

图14表示的时延长仿真中空投的下落速度。在图14中，1与2分别表示单层与双层风阻结构的终端速度，从图14中可以看出，在4s的下落过程中，双层风阻结构的速度相较于单层风阻结构慢0～1m/s，且终端速度比单层风阻结构慢0.4m/s。

表2 空投包装姿态角数据

Tab.2 Air drop packaging attitude angle data

表3 延长仿真姿态角数据

Tab.3 Extended simulation attitude angle data

图11 空投包装姿态角变化曲线

图12 延长仿真空投包装姿态角变化曲线

表4 横向漂移量数据

Tab.4 Lateral drift data

图13 空投物资包装横向漂移距离曲线

图14 空投包装下落速度随时间变化曲线

经过上述仿真，可以看出双层风阻结构在下落过程中的调姿性能以及落地精度方面均优于单层风阻结构，但在调姿性能方面，两种空投包装结构的最大振荡幅度均超过初始姿态角，这表明空投包装的性能并未达到预期，考虑其受空投质心过高导致的调姿力矩不够大的因素影响，为验证本猜想，将两种空投包装的质心设置在底边中点上，即相较原仿真降低177mm，并再次进行仿真。

仿真结果如图15所示，对应关键点数据如表5所示。从图15中可以看出两风阻结构的调姿性能均得到了极大改善，其中单层风阻结构振荡幅度在±20°，而双层风阻结构则在下落2s内将振荡幅度控制在±4°，稳定性极高。由此可推断：对本次仿真的两种结构，质心越低，调姿稳定性能越强，且双层风阻结构的调姿稳定性能总是优于单层风阻结构。

图15 验证仿真空投包装姿态角变化曲线

表5 理想仿真姿态角数据

Tab.5 Ideal simulated attitude angle data

2.2 触地过程仿真

由于在触地过程中，物资包装底部的泡沫铝作用仅在拉杆结构失效时提供缓冲，故在本次仿真中仅对拉杆吸能部分进行仿真，验证拉杆吸能装置的可用性。同时，为充分发挥拉杆性能，假设空投包装落地瞬间姿态角为0°，且速度方向平行于拉杆工作方向。

同时考虑到此次仿真模型较为简单，且并无大变形组件，拟运用ANSYS Workbench软件的显示动力学模块进行仿真，该模块拥有较好的稳定性，且计算速度相较于隐式计算模块更快。

2.2.1 模型建立以及初始条件给定

依据2.2节中所述简化方式，建立触地仿真模型（如图16所示），其中拉杆为直径4mm，长度189mm的圆杆结构。

图16 简化触地仿真模型

图16为触地仿真模型，将其导入ANSYS Workbench软件显式动力学计算模块，由于本次仿真主要验证拉杆吸能装置可否完成对空投物资的缓冲，故将空投物资设为刚性体，同时由于结构简单，利用ANSYS Mechanical软件对整体进行默认的网格划分，其划分结果如图17所示。

图17 触地仿真模型的网格划分

如图14所示，双层风阻结构在正常质心的情况下终端速度为19.7m/s，故将空投触地速度设为19.7m/s。

对仿真模型各部分材料进行设置：将空投物资包装外壳，拉杆以及物资本体材料均设为铝合金，同时为仿真最恶劣落地情况，将地面材料设置为结构钢。具体的材料参数如表6所示。

表6 材料参数

Tab.6 Material parameters

添加结构连接、地球重力以及地面材料固定支撑，设置仿真时长为1.5×10–3s并开始仿真。

2.2.2 仿真结果分析

仿真结束时空投包装变形（如图18所示），可以看出拉杆吸能装置变形最大处约为17.4mm，伸长率为9.0%，依据文献[25]内所提供的数据，并未超过铝型材的最大伸长率，即所选拉杆材料满足缓冲要求。

图18 仿真结束状态

给出仿真过程中空投物资的速度曲线以及过载曲线如图19、图20所示，两图均以重力方向为正方向。从图19中可以看出，拉杆吸能装置成功地将空投物资的速度降低至0，从图20中可以看出，整体缓冲过程中的过载均未超过2 200n，完成了触地过载小于2 500n的任务目标。

图19 空投物资落地过程速度曲线

图20 空投物资落地过程过载曲线

3 结束语

本文提出了一种可以完成低空无损空投的无伞空投设计，并对其进行了下落过程与触地过程的仿真。得出如下结论：在正常质心条件下，所提出的双层风阻结构相较于传统的单层风阻结构在下落过程中的最大摆动幅度小15°，初次完成姿态摆正的时间提前0.035s，振荡周期短0.3s，终端速度低0.4m/s，在50m空投条件下落地精度高0.1m。对一种极端且在工程实际中不可行的工况进行了仿真，验证了双层风阻结构在下落过程中随质心下移的稳定性。同时验证了拉杆结构在落地缓冲过程中的可行性，将落地过载控制在了2 200n，成功地完成了设计目标要求，为无伞无损空投的设计提出了新的思路。

本方案通过定性仿真分析验证，有效验证了偏质心本体以及双层风阻结构对空投包装的稳定性的提升，其中具体质心偏移以及风阻结构夹角、大小等参数还可在后续工作中进行具体优化设计。

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WANG Hong, LI Song, DONG Xindong. Study on Simulation of the Airdrop Landing Process of Solid Food Packaging Bag Based on ANSYSLS- DYNA[J]. Fire Control & Command Control, 2016, 41(8): 177-180. (in Chinese)

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TIAN Yafei. Influence of Annealing Process on Properties of Aluminum Conductor[J]. Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications, 2021(5): 35-36. (in Chinese)

Design of Low Altitude Free Drop Packaging and Verification of Its Self-stability and Cushioning Performance

JIA Shan1,2,3GAO Xiangyu1,2,3CHEN Jinbao*1,2,3WANG Yongbin1,3,4

（1 Academy of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China）（2 Key Laboratory of Mechanism for Deep Space Planet Surface Exploration, Ministry of Industry and Information Technology, Nanjing 211106, China）（3 Laboratory of Aerospace Entry, Descent and Landing Technology, Nanjing 211106, China）（4 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Parachute free airdrop has the advantages of short preparation time, rapid delivery, simple packaging, less affected by the weather, small landing dispersion and reusable. It has become a new airdrop mode of equipment and materials support in the future disaster relief work. Based on the application requirements, this paper presents a design scheme of low altitude parachute free and nondestructive airdrop packaging, and makes a comparative analysis on the influence of the single/double-layer design of wind resistance structure and the degree of partial centroid on the falling process. At the same time, the energy absorption effect of the pull rod structure in the process of touchdown buffer is simulated and analyzed. The design can realize the attitude self stabilization in the falling process based on the self expanding flexible wind resistance structure and the characteristics of partial center of mass. The landing accuracy of 50m airdrop is controlled at 0.1m, and the maximum overload in the landing buffer process is limited to less than 2 500n, which provides a solution for airdrop packaging for low altitude airdrop.

low altitude airdrop; parachute free airdrop; attitude self-stabilization; buffer energy absorption; recovery technology

V445.4

A

1009-8518(2022)02-0001-14

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.02.001

贾山，男，1983年生，2016年获东南大学机械电子工程专业博士学位，副教授。主要研究方向是深空星表探测机构技术、航天进入减速与着陆技术。E-mail：jiashanazz@nuaa.edu.cn。

陈金宝，男，1980年生，2008年获南京航空航天大学飞行器设计专业博士学位，教授。主要研究方向是航天器结构与机构技术、航天器结构动力学、空间精密操控技术。E-mail：chenjbao@nuaa.edu.cn。

2021-12-13

国家重大科技专项工程；国家自然科学基金面上项目（52075242）

贾山, 高翔宇, 陈金宝, 等. 低空无伞无损空投包装设计及其自稳和缓冲性能验证[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(2): 1-14.

JIA Shan, GAO Xiangyu, CHEN Jinbao, et al. Design of Low Altitude Free Drop Packaging and Verification of Its Self-stability and Cushioning Performance[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(2): 1-14. (in Chinese)

（编辑：庞冰）