降落伞有很多用途，可以为跳伞者和超音速科学载荷等各种物体减速。不管降落伞减速的速度是多少，有两件事是不变的：降落伞必须承受很大的力，而且它对确保所载物品的安全至关重要。为了选择能够有效发挥作用的降落伞材料，充分了解降落伞打开和下降过程中发生的事情是很重要的。
贝克曼高级科学技术研究所的研究人员卡特勒·菲利普、弗朗西斯科·帕纳海和劳拉·Villafa?e罗卡利用计算机断层扫描研究了降落伞纺织品的纤维尺度特性，并将它们与更大规模的行为联系起来。他们的研究成果发表在美国航空航天学会（AIAA）期刊上。
“我们一般都知道纺织品是如何影响降落伞性能的，”菲利普说，他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校航空航天工程系的研究生。“但从实验的角度来看，我们不知道这种性能与纺织品中单个纤维的运动以及例如一束纤维的动态特性之间的关系。”
研究人员说，如果降落伞的性能——它在天空中的表现——被认为是宏观尺度的，那么一束纤维就是中尺度的，一根纤维代表微观尺度的。
研究人员旨在量化这些小尺度上发生的事情，并将这种行为与大尺度上发生的力量和相互作用联系起来。这为计算建模者模拟未经测试的降落伞行为提供了数据，并可以告知他们新的现象。
研究人员使用贝克曼的微型ct扫描仪对两种降落伞纺织品在不断增加的压力水平下进行了成像。像医院的CT扫描仪一样，微型CT扫描仪使用x射线对材料的二维切片进行成像。这些切片将材料的3D结构放在一起时可视化。
研究小组将降落伞样品装入一种名为拉力测试仪的仪器上，这使他们能够逐渐增加纺织品样品上的力。在每一个新的力水平上，当样品处于压力下时，进行微ct扫描。
拉伸测试向研究人员展示了纤维对不同程度的压力的反应：它们如何随着负载的增加而拉伸、拉直和重组。当纤维束改变形状时，它们之间的孔隙也会变大，这将改变空气在降落伞内部和周围的流动方式。
当纺织品具有相同数量的相同类型的纤维，在材料中向上和向下而不是向左和向右移动时，纺织品应该是各向同性的。这意味着它在两个方向上都有相同的性质。例如，沿着垂直轴施加一个力，预计会在材料中产生与沿着水平轴施加的力相同的应力和变形量。
然而，研究人员观察到相反的情况：纺织品在不同的方向上具有不同的性能。在织造过程中，沿一个方向运行的纤维——被称为经线——在织机上被拉紧，而垂直于它们运行的纤维——被称为纬线——在第一组纤维之间滑动。即使织物从织机上取出后，在制造过程中张力的差异也会导致它不是各向同性的。具体来说，织物更能抵抗经纱纤维方向的拉伸。
了解这种差异可以为降落伞组装等过程提供信息。降落伞是由不同的纺织品片相互连接而成的，这些纺织品片的方向会影响整个降落伞的性能。
选择最好的降落伞材料对安全和任务目标至关重要。这项研究为将用于确定有前途的候选纺织品的模型提供了信息。
“计算主义的工作非常擅长重现已经完成的东西，”菲利普说，“但它还没有到部署阶段（双关语），不能说，‘好吧，我已经为这种新纺织品建模了，我可以明确地告诉你，制造一个原型的成本是值得的还是不值得的。’”
改进降落伞材料筛选模型，使降落伞工业和应用更具成本效益和时间效率。除了科学任务之外，这项工作还可以应用于其他场合的降落伞：例如，用于救济工作或娱乐活动。
菲利普在一个关于流体和结构之间相互作用的研讨会上展示了他的工作，在那里他会见了美国宇航局的计算学家和其他将他的研究纳入他们模型的程序员。
菲利普说：“很多时候，在计算学家需要什么和实验学家认为他们需要什么之间的沟通有一点脱节，你最终没有完成完整的画面。”“了解每个人，了解他们的需求和需求是非常鼓舞人心的。它确实帮助我确定了从这项工作中前进需要做什么。”
菲利普目前正在使用显微镜成像来更好地了解纺织品孔隙如何影响气流，并对流经它们的气流进行成像，以可视化3D变形。
更多信息：Cutler A. Phillippe et al .，拉伸载荷下降落伞织物微观力学的原位成像，AIAA学报（2024）。DOI: 10.2514/1。引文：爱上它：微观尺度看降落伞纤维在压力下的行为（2024,10月21日）检索自https://techxplore.com/news/2024-10-falling-micro-scale-parachute-fibers.html本文受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
