影響減速傘連接帶強度的雙因素試驗研究

趙 淼,張 章,張文博,劉 宇,劉 濤,李 健,何青松

(1.北京空間機電研究所， 北京 100094； 2.中國航天科技集團有限公司航天進入、減速與著陸技術實驗室， 北京 100094)

1 引言

減速傘作為氣動減速裝置，以其高效的減速能力，在武器裝備領域得到較為廣泛的使用。采用減速傘系統減速是空天武器裝備實現減速精準攻擊目標的主要途徑之一，減速傘系統一般由傘衣、傘繩、連接帶、旋轉接頭和吊帶等組成。傘系統內的連接帶承載著傘繩和有效載荷的雙向拉力，起著將傘衣穩降產生的氣動阻力傳遞給有效載荷的作用，連接帶強度決定著任務的成敗，因此其強度成為衡量減速系統綜合性能的重要指標。

目前，通過金屬轉接軸傳遞開傘載荷，仍是減速傘系統中連接帶主要的連接方式。開傘過程中，連接帶主要在經線方向承載拉力。連接帶通常是由單層基帶折疊組合成多層基帶，以縫合的方式加工而成，縫合部位較易出現纖維損傷。同時，由于減速傘連接帶多層折疊，會在與金屬轉接軸的接觸部位處產生擠壓，引起應力集中，造成纖維撕裂。縫合引起的纖維損傷以及多層擠壓造成的纖維撕裂使得連接帶強度較難評估。

減速傘連接帶是一種重要的載荷傳遞裝置，國內外研究人員對其開展了一系列研究，但針對影響連接帶強度的因素尚未開展研究工作。同時現有的減速傘連接帶主要通過金屬轉接軸傳遞有效載荷，多依據工程經驗進行強度設計，未針對折疊層數和接觸連接軸直徑進行詳細試驗研究。為此，本文搭建了相關的試驗平臺，開展了影響連接帶強度的試驗研究，詳細分析了連接帶的強度極限、破壞位置以及強度變化系數，該分析結果可為減速傘連接帶設計選型提供參考。

2 減速傘連接帶

減速傘的工作過程主要由彈射、拉直、充氣、穩降等組成。其中，減速傘傘繩與底部某武器裝備主要通過柔性傘繩基帶連接，如圖1所示，柔性繩索連接帶之間通過連接軸相連，在工作過程中，既承載減速傘開傘時傘繩傳遞過來的載荷，又承載底部某武器裝備因自身運動帶來的慣性力。

圖1 減速傘連接帶示意圖

對于減速傘連接帶來說，折疊層數決定著連接帶所能承載受的來自經線方向的拉力上限，而連接軸直徑決定著連接帶的局部接觸面積。由于連接軸直徑的限制，折疊層數存在上限，因此這2個因素存在互相競爭關系。

影響減速傘連接帶強度的外在因素有多個，其中，以折疊層數和接觸的連接軸直徑對連接帶的強度影響最為直接。

3 試驗準備工作

為了研究影響減速傘連接帶強度的因素，分別選取2種不同規格尺寸的芳綸基帶，采用鋸齒形線跡，使用芳綸線為縫線，以首末搭接的方式縫合為減速傘連接帶。

圖2為減速傘連接帶的規格尺寸示意圖。表1為2種不同規格的連接帶尺寸表。縫合能夠提高織物材料之間的層間性能和抗沖擊等力學性能，然而，連接帶首末位置經過縫合后，會引起織物纖維經線方向的撕裂。同時，連接帶與連接金屬軸接觸部位受到多層纖維的擠壓，極易在接觸點產生應力集中。

圖2 減速傘連接帶結構尺寸示意圖

表1 減速傘連接帶尺寸

圖3為減速傘連接帶的試驗樣件。

圖3 連接帶試驗樣件圖

連接帶強度試驗裝置如圖4和圖5所示。降落傘連接帶垂直放置于立式龍門架內，通過支座上的連接金屬軸螺栓組合固定在底板上，上部同樣采用此方式固定，試驗過程中，連接帶承受經線方向的拉力。龍門架上方裝有液壓加載作用筒，提供最大500 kN的拉伸載荷，同時配置有相應量程的傳感器。試驗工況如表2所示。

圖4 立式龍門架拉力加載設備圖

圖5 控制系統和測量系統圖

表2 試驗工況參數

4 試驗結果與分析

4.1 試驗數據可靠性分析

高可靠性的試驗數據是分析降落傘連接帶強度的前提。利用變異系數和標準差來確定各項試驗數據的穩定性。

(1)

(2)

引入強度變化系數(strength variation coefficient，SVC)作為連接帶設計的參考指標，SVC越大說明，強度損失越小，其計算公式為

(3)

其中：為實際測量的強度，kN；為層數，為單根連接帶的強度，kN。

圖6(a)為試驗數據標準差和變異系數的關系圖。圖6(b)為圖6(a)投影到平面的標準差等高線圖。由圖可知，試驗編號為1時，變異系數最大，為0.045 5；試驗編號為3時，變異系數最小，為0.007 6；試驗數據標準差最大，不超過3.26。上述結果說明，試驗數據的穩定性較好，離散程度低，逼近于真實值，可以用于研究影響降落傘連接帶強度。

圖6 試驗數據可靠性影響因素

4.2 折疊層數

圖7為試驗件A折疊層數影響的連接帶強度曲線。由圖7可知：

1) 當折疊層數為2、4、6和8層時，3次試驗的強度均值分別為71.72 kN、149.89 kN、198.4 kN和215.66 kN。

2) 隨著折疊層數的增加，連接帶的強度逐漸增大，其增量速率逐步下降，趨勢逐漸趨向于平滑。

3) 當折疊層數為2、4、6和8層時，連接帶的強度變化系數分別為0.896、0.936、0.826和0.674。折疊層數為4層時，連接帶強度變化系數最大，為0.936，且隨著層數的增加，強度變化系數非線性減小。

4) 當折疊層數為2、4和6時，連接帶的破壞位置出現在縫合部位根部，破壞形式為經線纖維的與抽拔；折疊層數為8時，破壞部位為縫合部位根部和連接帶與連接軸接觸部位，破壞形式包括有經線斷裂和纖維束的擠壓分裂。

圖7 試驗件A折疊層數影響的連接帶強度曲線

圖8為試驗件B折疊層數影響的連接帶強度曲線。由圖8可知：

1) 當折疊層數為2、4、6和8層時，3次試驗的強度均值分別為19.74 kN、42.68 kN、50.01 kN和62.01 kN。

2) 隨著折疊層數的增加，連接帶的強度逐漸增大。相比于圖7(a)，強度趨勢線性化增長，未有趨于平滑的趨勢。

3) 當折疊層數為2、4、6和8層時，連接帶的強度變化系數分別為0.822、0.889、0.694和0.646。折疊層數為4層時，連接帶強度變化系數最大，為0.889，且隨著層數的增加，強度變化系數非線性減小。

4) 相比于圖7(b)，同工況條件下，試驗件B的強度變化系數整體小于試驗件A，試驗件B的強度損失較大，說明折疊層數對試驗件B強度的影響較大。

圖8 試驗件B折疊層數影響的連接帶強度曲線

4.3 連接軸直徑

圖9為試驗件A連接軸直徑D影響的連接帶強度曲線。由圖9可知：

1) 當連接軸直徑為18、22、32和45 mm時，試驗的強度均值為112.5 kN、125.26 kN、149.89 kN和145.98 kN。

2) 隨著連接軸直徑的增加，連接帶的強度逐漸增加，增量速率逐步下降，直到32 mm時，強度最大，然后逐漸減小。

3) 當連接軸直徑為18、22、32和45 mm時，連接帶的強度變化系數分別為0.701、0.782、0.936和0.912。連接軸直徑為32 mm時，連接帶強度變化系數最大，為0.936，且隨著層數的增加，強度變化系數非線性減小。

4) 連接帶的破壞位置多出現在縫合部位處根部，少量出現連接帶與連接軸的接觸部位，破壞形式為經線纖維的斷裂與纖維束的擠壓分裂。

圖10(a)為試驗件B連接軸D直徑影響的連接帶強度曲線。

圖9 試驗件A連接軸直徑影響的連接帶強度曲線

圖10 試驗件B連接軸直徑影響的連接帶強度曲線

由圖10可知：

1) 當連接軸直徑為12、18、22和32 mm時，試驗的強度均值為41.14 kN、37.41 kN、42.31 kN和42.68 kN。

2) 隨著連接軸直徑的增加，連接帶的強度先降后升，在18 mm時，強度最小。

3) 當連接軸直徑為12、18、22和32 mm時，連接帶的強度變化系數分別為0.857、0.779、0.881和0.889。連接軸直徑為32 mm時，連接帶強度變化系數最大，為0.889。

4) 相比于圖9(b)，同工況條件下，試驗件B的強度變化系數不規則變化。

5 結論

連接帶強度是衡量減速系統綜合性能的重要指標，本文采用試驗的方法對影響減速傘連接帶強度的因素進行了研究。

1) 連接軸直徑為32 mm時，2種規格的連接帶的破壞位置多出現于縫合部位，且當折疊層數為4層時，強度變化系數最大，分別為0.93和0.89；

2) 折疊層數為4層時，連接軸直徑越小，破壞位置出現在與局部接觸部位的幾率越大，且強度變化系數最大不超過0.93。

3) 連接帶由單根芳綸基帶縫合而成，縫合部位采用首末搭接形式而成，縫線會對織物層內的纖維造成損傷，從而降低纖維的經向受力強度，進而使得經線纖維斷裂。

4) 多層連接帶與連接軸接觸時，不僅承受切線方向的拉力，還會承受法向的多層擠壓，造成接觸點部位應力集中，使得纖維束承受緯線方向的剪切力，引起纖維束的擠壓分裂。