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朵朵伞花天上开——降落伞的研发和使用原理

2021-06-09 16:00 孙 畅 宋 茹 次阅读 条评论

天空中,加纳林和他的降落伞一起,从热气球中一跃而下。晃晃悠悠地返回地面,巨大的眩晕让他无暇顾及蜂拥而至的祝贺。

这历史性的一幕发生在1797年的一天——人类首次跳伞成功。

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随后的200余年里,降落伞得以快速发展,并迅速扩展到军事领域,帮助成千上万名跳离战机的飞行员安全返回地面,成为救生系统中不可替代的装备。

当然,降落伞不是军用飞机的专属装备,在航天器、体育竞技等领域,人们都能看到它的身影。

生命之伞——

减速利器,军用飞机的标配产品

现代空战,为满足应急逃生和空降等作战需要,飞行员经常要在高空跳离战机。

有数据显示,当飞行员从千米高空跳离战机、以自由落体的方式下坠时,可达到200千米/时,几乎超过了大多数普通家用汽车的最高时速。不难推算,以这样的速度“砸”向地面,飞行员毫无生还可能。

降落伞发挥稳定减速的“绝技”,从“死神”手中拯救飞行员生命,是名副其实的生命之伞。

那么,降落伞为何能拖住比汽车还快的飞行员呢?简单来说,靠的是其强大的“兜风”能力。

当飞行员纵身一跃时,巨大的伞衣会在一顶小型引导伞的牵引下瞬间“涌”出伞包,在天空中开出一朵几十平方米的巨大伞花。在下降过程中,它会“兜住”足够的气流,用来对抗自由落体时的重力,将飞行员的下降速度拖慢90%左右,就像踩刹车一样,保证其安全着陆。

事实上,如何从高空返回地面,千百年来一直是人类研究的课题——

降落伞原理最早出现在我国西汉末年。直到欧洲文艺复兴时期,达·芬奇绘制出世界上第一个降落伞的构图,才将降落伞原理真正转化成了图纸。

1783年,法国人卢诺尔曼设计出世界上第一具真正意义上的降落伞并亲自试验成功。

冒险似乎是人类的天性。随后,跳伞的高度一再刷新,高塔、热气球纷纷成为科学家的试验台,其中不少人付出了生命的代价。幸运的是,科学家总能汲取前人的经验,推动降落伞技术向前进步。

迈过20世纪“门槛”,飞机的出现为降落伞的发展按下了“加速键”。早期飞机结构简单、工艺粗糙、安全性差,飞行时经常发生事故,发明一种飞行员专用降落伞变得非常重要。

1911年,俄国工程师科杰尼柯夫设计的飞行员救生伞成功问世。在随后的一战中,降落伞迎来了高光时刻——帮助大量飞行员从空战中逃生。二战期间,许多国家对降落伞的救生能力加以延伸,组建了空降部队,用以深入敌后作战。

如今,降落伞已经逐渐发展成独立体系,其家族也在不断壮大,减速伞、投物伞、航弹伞等新型降落伞不断问世,在航空航天、极限运动、军事领域的应用越来越广泛,成为歼击机、轰炸机、教练机等军用飞机的标配产品。为保证跳伞员安全,多数降落伞还增加了“双重保险”——配备副伞,防止因主伞失效造成人员伤亡事故。

科技之伞——

外柔内刚,“小体格”蕴含大能量

作为救生系统的关键装备,降落伞最重要的功用之一就是减缓下降速度,保证飞行员安全着陆。

如何减缓下降速度?科学家给出答案:增大下降时的空气阻力。就像人们奔跑时拉住一把张开的雨伞会感到吃力,降落伞也需要通过巨大的伞面,增加与空气接触的表面积,达到减速目的。

为此,一具载人救生伞衣的面积可达到20平方米,相当于4个标准台球桌的大小。

别看展开的降落伞是一个庞然大物,收纳到伞包里却不到0.02立方米,比一台小型家用空调的体积还要小,其重量仅有10千克左右,外形十分轻巧。神奇的是,这样的“小体格”能拖住重量数倍于己的飞行员。

很多人提出疑问,小小的降落伞为何蕴藏如此大能量?其实,这源于其独特设计和高科技纺织材料。

科学家多年研究发现,降落伞能承受的负荷重量、产生阻力多少与伞面大小呈正比。

依照这样的理论,设计师通过数学建模方式,精确计算出合适的伞衣表面积,以此满足不同领域的减速要求。

更重要的是,降落伞本身也具有强硕的“骨骼”。在下降过程中,降落伞与大气发生“摩擦”,产生的高热量和强冲击力,给降落伞的安全性带来巨大挑战。

为避免飞行中降落伞变形、燃烧、撕裂,设计师在降落伞材料的强度、透气性、抗撕耐燃的研究上投入大量精力。

降落伞发明初期,棉、蚕丝等天然纤维以其柔软性好、弹性强等优点,受到设计师的青睐,成为当时制作降落伞的首选材料。

尼龙的出现打破了蚕丝的垄断地位,其轻薄柔软、透气性好,拥有更高的强度和弹性,还摆脱了蚕丝等早期材料造价高、供应量不足等难题,成为降落伞织物的最佳材料。

随着材料科学的发展,以弹性织物为代表的新型材料,让降落伞在空降中的表现更加轻盈,小到上百斤的飞行员、大到两三吨重的太空舱,降落伞都能够稳稳拖住。

以国外某型降落伞为例,构成其骨架的伞绳轻薄柔软,每根直径仅有2.5毫米,比普通鞋带还要细,每根伞绳由数十股棉线组成,每股棉线又由更细的棉线进行特殊编织。这样的结构,让这副“骨骼”强度超过钢丝,每根伞绳的承重可以超过300千克。

会飞的伞——

收放自如,一折一叠皆学问

现代科技进步带动了降落伞的快速发展,安全性也在不断增强。

飞行员跳伞过程中,降落伞由一个小小的伞包膨胀成巨大的伞花,整个过程在数秒间完成。不仅如此,先进的降落伞甚至装备了飞行控制系统,能够精确地控制开伞速度、高度和姿态。在着陆过程中,飞行员还可以操纵伞绳,就像在水中划桨一样,降落到指定地点。

与战机有着坚硬的“盔甲”不同,降落伞是一个柔软的透气物, 2/3的构成材料是纺织物,而伞衣是其主要的组成部分。针对不同领域、不同的减速需要,伞幅可以从几十平方米到上千平方米不等。应用于航天领域的降落伞,伞幅甚至达到1200平方米,相当于3个标准篮球场的面积大小。

从一定程度上讲,伞衣质量关系到降落伞任务能否顺利完成。在实际应用中,为尽可能减小降落伞的重量和体积,伞衣一直行走在“减肥”的路上,将厚度控制在0.08毫米,薄如蝉翼。

然而,与轻薄体形相矛盾的是,现代战机的飞行条件对降落伞的强度、韧性、熔点等特性又提出更高要求,涉及到空气动力学、结构力学和飞行力学等多个学科,给科学家带来不小的考验。

那么,一具降落伞究竟是如何生产出来的呢?

以国外某公司生产的军用降落伞为例,其翼展可达9米,负重达到200千克,制造经历了一系列精密步骤。

一具降落伞的生产制作,从一整块带有条纹的织物开始——

然而,不是所有的织物都可以成为伞布。这需要“竞争上岗”,待选的布料将经过测量、拉力实验等一系列测试,保证投入使用的伞布条纹间隔不超过3.8厘米,并能承受20千克的拉力。选好伞布后,降落伞制作又分为以下3步:

第一步是剪裁——根据不同的伞型、不同的需求,伞衣会被裁剪成不同的大小,为保证剪裁尺寸准确,还需要在织物上打孔,加以辅助测量。

第二步是缝制——将每个伞幅缝制成一个完整的伞面。为了保证每个接缝处受力均匀,防止织物降落过程中撕裂,每2.5厘米的接缝还会加固7-10针的缝线。缝制完成的伞衣会继续与伞绳、背带系统、开伞器等一系列部件缝合在一起。

第三步是包伞——将检验合格的降落伞装进伞包里。包伞并不是将所有部件全部“塞”进伞包那么简单,其中还有不少讲究,在狭小的伞包里每个部件都有“专属”位置,叠伞方式、装伞顺序环环相扣,要保证每个部件在狭小的伞包里不相互钩挂,才能保证开伞成功。通过机械手段和手工作业,伞衣、伞绳、开伞装置等部件会按照特定顺序,变魔术般地“蜷缩”进伞包里。

这样还不够,在正式投入使用前,降落伞还需要进行仿真测试,通过空投试验等方式,检测降落伞的开伞时间、开伞速度、开伞过载等一系列指标,待验证成功后,才能正式交付使用。

一直以来,设计师对降落伞的研发工作从未停止,他们围绕提高开伞速度、改善开伞性能、增加稳定性不断改进,将更完善的理论研究、更高强度的新型材料、更具仿真效果的试验方法投入到降落伞的研发过程中。

可以预见,未来降落伞的救生性能、应用范围将越来越广,越来越安全可靠。(来源:解放军报)

初审:孙世奇

复审:成自来

终审:陈光中

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