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降落傘都有哪些大"學問"?聽某航修廠工程師為你解答

作者:孫 暢 宋 茹責任編輯:李佳琦
2021-05-28 07:02

大連某航修廠工程師余大為解讀降落傘的研發和使用原理——

朵朵傘花天上開

■孫 暢 宋 茹

外軍空降部隊進行傘降訓練。資料照片

天空中,加納林和他的降落傘一起,從熱氣球中一躍而下。晃晃悠悠地返回地面,巨大的眩暈讓他無暇顧及蜂擁而至的祝賀。

這歷史性的一幕發生在1797年的一天——人類首次跳傘成功。

隨后的200余年里,降落傘得以快速發展,并迅速擴展到軍事領域,幫助成千上萬名跳離戰機的飛行員安全返回地面,成為救生系統中不可替代的裝備。

當然,降落傘不是軍用飛機的專屬裝備,在航天器、體育競技等領域,人們都能看到它的身影。

生命之傘——

減速利器,軍用飛機的標配產品

現代空戰,為滿足應急逃生和空降等作戰需要,飛行員經常要在高空跳離戰機。

有數據顯示,當飛行員從千米高空跳離戰機、以自由落體的方式下墜時,可達到200公里/時,幾乎超過了大多數普通家用汽車的最高時速。不難推算,以這樣的速度“砸”向地面,飛行員毫無生還可能。

降落傘發揮穩定減速的“絕技”,從“死神”手中拯救飛行員生命,是名副其實的生命之傘。

那么,降落傘為何能拖住比汽車還快的飛行員呢?簡單來說,靠的是其強大的“兜風”能力。

當飛行員縱身一躍時,巨大的傘衣會在一頂小型引導傘的牽引下瞬間“涌”出傘包,在天空中開出一朵幾十平方米的巨大傘花。在下降過程中,它會“兜住”足夠的氣流,用來對抗自由落體時的重力,將飛行員的下降速度拖慢90%左右,就像踩剎車一樣,保證其安全著陸。

事實上,如何從高空返回地面,千百年來一直是人類研究的課題——

降落傘原理最早出現在我國西漢末年。直到歐洲文藝復興時期,達·芬奇繪制出世界上第一個降落傘的構圖,才將降落傘原理真正轉化成了圖紙。

1783年,法國人盧諾爾曼設計出世界上第一具真正意義上的降落傘并親自試驗成功。

冒險似乎是人類的天性。隨后,跳傘的高度一再刷新,高塔、熱氣球紛紛成為科學家的試驗臺,其中不少人付出了生命的代價。幸運的是,科學家總能汲取前人的經驗,推動降落傘技術向前進步。

邁過20世紀“門檻”,飛機的出現為降落傘的發展按下了“加速鍵”。早期飛機結構簡單、工藝粗糙、安全性差,飛行時經常發生事故,發明一種飛行員專用降落傘變得非常重要。

1911年,俄國工程師科杰尼柯夫設計的飛行員救生傘成功問世。在隨后的一戰中,降落傘迎來了高光時刻——幫助大量飛行員從空戰中逃生。二戰期間,許多國家對降落傘的救生能力加以延伸,組建了空降部隊,用以深入敵后作戰。

如今,降落傘已經逐漸發展成獨立體系,其家族也在不斷壯大,減速傘、投物傘、航彈傘等新型降落傘不斷問世,在航空航天、極限運動、軍事領域的應用越來越廣泛,成為殲擊機、轟炸機、教練機等軍用飛機的標配產品。為保證跳傘員安全,多數降落傘還增加了“雙重保險”——配備副傘,防止因主傘失效造成人員傷亡事故。

科技之傘——

外柔內剛,“小體格”蘊含大能量

作為救生系統的關鍵裝備,降落傘最重要的功用之一就是減緩下降速度,保證飛行員安全著陸。

如何減緩下降速度?科學家給出答案:增大下降時的空氣阻力。就像人們奔跑時拉住一把張開的雨傘會感到吃力,降落傘也需要通過巨大的傘面,增加與空氣接觸的表面積,達到減速目的。

為此,一具載人救生傘衣的面積可達到20平方米,相當于4個標準臺球桌的大小。

別看展開的降落傘是一個龐然大物,收納到傘包里卻不到0.02立方米,比一臺小型家用空調的體積還要小,其重量僅有10公斤左右,外形十分輕巧。神奇的是,這樣的“小體格”能拖住重量數倍于己的飛行員。

很多人提出疑問,小小的降落傘為何蘊藏如此大能量?其實,這源于其獨特設計和高科技紡織材料。

科學家多年研究發現,降落傘能承受的負荷重量、產生阻力多少與傘面大小呈正比。

依照這樣的理論,設計師通過數學建模方式,精確計算出合適的傘衣表面積,以此滿足不同領域的減速要求。

更重要的是,降落傘本身也具有強碩的“骨骼”。在下降過程中,降落傘與大氣發生“摩擦”,產生的高熱量和強沖擊力,給降落傘的安全性帶來巨大挑戰。

為避免飛行中降落傘變形、燃燒、撕裂,設計師在降落傘材料的強度、透氣性、抗撕耐燃的研究上投入大量精力。

降落傘發明初期,棉、蠶絲等天然纖維以其柔軟性好、彈性強等優點,受到設計師的青睞,成為當時制作降落傘的首選材料。

尼龍的出現打破了蠶絲的壟斷地位,其輕薄柔軟、透氣性好,擁有更高的強度和彈性,還擺脫了蠶絲等早期材料造價高、供應量不足等難題,成為降落傘織物的最佳材料。

隨著材料科學的發展,以彈性織物為代表的新型材料,讓降落傘在空降中的表現更加輕盈,小到上百斤的飛行員、大到兩三噸重的太空艙,降落傘都能夠穩穩拖住。

以國外某型降落傘為例,構成其骨架的傘繩輕薄柔軟,每根直徑僅有2.5毫米,比普通鞋帶還要細,每根傘繩由數十股棉線組成,每股棉線又由更細的棉線進行特殊編織。這樣的結構,讓這副“骨骼”強度超過鋼絲,每根傘繩的承重可以超過300公斤。

會飛的傘——

收放自如,一折一疊皆學問

現代科技進步帶動了降落傘的快速發展,安全性也在不斷增強。

飛行員跳傘過程中,降落傘由一個小小的傘包膨脹成巨大的傘花,整個過程在數秒間完成。不僅如此,先進的降落傘甚至裝備了飛行控制系統,能夠精確地控制開傘速度、高度和姿態。在著陸過程中,飛行員還可以操縱傘繩,就像在水中劃槳一樣,降落到指定地點。

與戰機有著堅硬的“盔甲”不同,降落傘是一個柔軟的透氣物, 2/3的構成材料是紡織物,而傘衣是其主要的組成部分。針對不同領域、不同的減速需要,傘幅可以從幾十平方米到上千平方米不等。應用于航天領域的降落傘,傘幅甚至達到1200平方米,相當于3個標準籃球場的面積大小。

從一定程度上講,傘衣質量關系到降落傘任務能否順利完成。在實際應用中,為盡可能減小降落傘的重量和體積,傘衣一直行走在“減肥”的路上,將厚度控制在0.08毫米,薄如蟬翼。

然而,與輕薄體形相矛盾的是,現代戰機的飛行條件對降落傘的強度、韌性、熔點等特性又提出更高要求,涉及到空氣動力學、結構力學和飛行力學等多個學科,給科學家帶來不小的考驗。

那么,一具降落傘究竟是如何生產出來的呢?

以國外某公司生產的軍用降落傘為例,其翼展可達9米,負重達到200公斤,制造經歷了一系列精密步驟。

一具降落傘的生產制作,從一整塊帶有條紋的織物開始——

然而,不是所有的織物都可以成為傘布。這需要“競爭上崗”,待選的布料將經過測量、拉力實驗等一系列測試,保證投入使用的傘布條紋間隔不超過3.8厘米,并能承受20公斤的拉力。選好傘布后,降落傘制作又分為以下3步:

第一步是剪裁——根據不同的傘型、不同的需求,傘衣會被裁剪成不同的大小,為保證剪裁尺寸準確,還需要在織物上打孔,加以輔助測量。

第二步是縫制——將每個傘幅縫制成一個完整的傘面。為了保證每個接縫處受力均勻,防止織物降落過程中撕裂,每2.5厘米的接縫還會加固7-10針的縫線。縫制完成的傘衣會繼續與傘繩、背帶系統、開傘器等一系列部件縫合在一起。

第三步是包傘——將檢驗合格的降落傘裝進傘包里。包傘并不是將所有部件全部“塞”進傘包那么簡單,其中還有不少講究,在狹小的傘包里每個部件都有“專屬”位置,疊傘方式、裝傘順序環環相扣,要保證每個部件在狹小的傘包里不相互鉤掛,才能保證開傘成功。通過機械手段和手工作業,傘衣、傘繩、開傘裝置等部件會按照特定順序,變魔術般地“蜷縮”進傘包里。

這樣還不夠,在正式投入使用前,降落傘還需要進行仿真測試,通過空投試驗等方式,檢測降落傘的開傘時間、開傘速度、開傘過載等一系列指標,待驗證成功后,才能正式交付使用。

一直以來,設計師對降落傘的研發工作從未停止,他們圍繞提高開傘速度、改善開傘性能、增加穩定性不斷改進,將更完善的理論研究、更高強度的新型材料、更具仿真效果的試驗方法投入到降落傘的研發過程中。

可以預見,未來降落傘的救生性能、應用范圍將越來越廣,越來越安全可靠。

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