[科普中国]-螺旋桨降落伞

螺旋桨降落伞（旋转伞）是具有旋转结构的降落伞。伞衣呈中心对称，靠下降时伞衣的周向排气形成的转动力矩使伞衣绕纵轴旋转。

常见的有方形，圆形，十字形和S型几种(见右图)。旋转伞的阻力系数较同结构非旋转伞为大，有良好的稳定性，无限质量条件下开伞动载系数为1.06左右，但制造精度要求高，物伞之间必需有防止物体转动的转子。主要用作稳定性要求高的稳定伞和航弹伞。1

涡环旋转伞是一种常见的螺旋桨旋转降落伞。伞衣的高速旋转，使得带涡环旋转伞的物伞系统在下降时具有良好的稳定性。此外，它还具有阻力系数大、开伞动载小、易维护等优点，也被广泛应用于兵器的弹道控制、飞机的着陆减速和控制、空降空投、航天飞行器的安全回收技术以及外太空的探险和着陆等领域。

在工程界和学术界，国内外众多研究者对平面圆形或锥形等结构轴对称伞系统进行了大量的理论研究和探索，但对旋转降落伞系统缺乏比较系统的研究。旋转伞系统的稳定落速和稳定转速是两个重要指标参数，直接决定其工作性能，稳定状态下的转速落速比是评价旋转伞系统的一个重要指标。关于旋转降落伞的已有研究多涉及旋转伞-载物系统的动力学建模，对弹道特性和动力学特性进行仿真分析，很少有关于旋转伞系统减速导旋效率的讨论。特别地，有关研究通过理论分析和伞塔投放试验方法研究了涡环旋转伞的开伞充气稳定性及其减速导旋运动特性，获得了伞衣幅结构及伞绳连接方式对涡环旋转伞减速导旋运动的影响规律，但未指出提高转速落速比的有效措施。

为进一步了解涡环旋转伞的减速导旋特性，提高旋转伞系统的转速落速比，设计了一种由涡环旋转伞和圆形减速伞构成的组合伞系统。针对伞塔投放试验数据，利用图像处理技术和姿态存储测量技术，得到单伞系统和组合伞系统的落速和转速变化，进一步对比分析二者的减速导旋效率，得到提高涡环旋转伞系统转速落速比的有效措施。

报告研究的涡环旋转伞系统主要由5部分组成（见右图），包括伞衣幅、伞绳、伞盘、旋转接头和载物，如图1所示。涡环旋转伞的结构复杂，一般由4片伞衣幅和多根不同长度的伞绳连接而成。伞衣幅上不对称的开口设计可以实现在充满的情况下，形成一定的凸面和倾斜度，在不对称空气动力和力矩的作用下实现旋转性能，伞盘通过旋转接头带动载物旋转。2

1) 通过Surendra方法提取伞物系统背景图像，对高速录像拍摄图像进行运动目标提取，获得伞物系统下落的时间、高度向量，结合运动模型，利用最小二乘拟合方法求解自由下落状态的极限速度和阻力特征。该方法快速简单有效。

2) 单伞系统的伞衣幅面积大，展开后可为载物提供更大的扭矩，使载物具有更大的旋转加速度，在较短的时间内转速达到最大，即单伞系统具有更好的导旋效率。

3) 组合伞系统的涡环旋转伞和圆形减速伞均具有良好的减速效果，故其阻力特征明显大于单伞系统，极限落速小于单伞系统，即组合伞系统具有更好的减速效率；该研究报告设计的涡环旋转伞和组合伞的阻力系数分别约为1.06和1.47。

4) 稳定状态下，组合伞系统的转速落速比大于单伞系统，组合伞系统的工作性能优于单伞系统。2