坠入爱河：微观观察降落伞纤维在压力下如何表现

Josiah02

降落伞用途广泛，可帮助从跳伞者到超音速科学有效载荷等各种物体减速。无论降落伞减速的是什么，有两件事始终不变：降落伞必须承受巨大的力量，并且确保其所载物品的安全至关重要。要选择有效发挥作用的降落伞材料，必须充分了解降落伞打开和降落过程中发生的情况。
贝克曼高级科学技术研究所的研究人员 Cutler Phillippe、Francesco Panerai 和 Laura Villafañe Roca 使用计算机断层扫描研究了降落伞纺织品的纤维级特性，并将其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。
“我们大致知道纺织品如何影响降落伞的性能，”伊利诺伊大学香槟分校航空航天工程系研究生菲利普说。“但从实验的角度来看，我们不知道这种性能与纺织品内单个纤维的运动以及例如一束纤维的动态特性有何关系。”
研究人员表示，如果将降落伞的性能（即它在空中的表现）视为宏观尺度，那么一束纤维就是中观尺度，而单根纤维则代表微观尺度。
研究人员的目标是量化这些较小尺度上发生的事情，并将这种行为与较大尺度上发生的力和相互作用联系起来。这为计算建模者提供了数据，可以模拟未经测试的降落伞行为，并可以让他们了解新现象。
研究人员使用贝克曼的微型 CT 扫描仪对两种在不断增加的压力水平下的降落伞织物进行成像。与医院的 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。这些切片在拼合在一起时可直观地显示材料的三维结构。
Cutler Phillippe 和 Laura Villafañe Roca 正在操作微型 CT 扫描仪。图片来源：Lauren Otolski，贝克曼通讯办公室。
研究小组将降落伞样品装到一种叫做拉力试验机的仪器上，这样他们就可以逐渐增加纺织样品上的力。在每一个新的力水平下，在样品受到压力的情况下进行微型 CT 扫描。
拉伸测试向研究人员展示了纤维对不同压力水平的反应：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宽，这将改变空气在降落伞中和周围的流动方式。
如果纺织品在两个方向上（材料上下和左右）有相同数量的相同类型的纤维，则纺织品应为各向同性。这意味着它在两个方向上具有相同的属性。例如，沿垂直轴施加力，预计会导致材料产生与沿水平轴施加力相同的应力和变形。
然而，研究人员观察到的恰恰相反：纺织品在不同方向上具有不同的特性。在编织过程中，沿一个方向运行的纤维（称为经线）在织机上保持张力，而与之垂直的纤维（称为纬线）则在第一组纤维之间滑动。即使在将纺织品从织机上取下后，制造过程中的张力差异也会导致其不具有各向同性。具体而言，织物在经线方向上更耐拉伸。
了解这种差异可以为降落伞组装等过程提供参考。降落伞由相互连接的不同纺织件制成，这些纺织件的方向会影响整个降落伞的特性。
选择最佳的降落伞材料对于安全和任务目标至关重要。这项研究为识别有前途的候选纺织品提供了模型。
拉力试验机装载了降落伞织物（中间）。为了观察织物的结构，X 射线从左侧穿过样品，并由右侧的圆柱形探测器检测。图片来源：卡特勒·菲利普，航空航天工程系
“计算主义的工作非常擅长重现已经完成的事物，”菲利普说，“但它还没有进入部署阶段（双关语），无法说‘好吧，我已经模拟了这种新纺织品，我可以明确地告诉你，它是否值得花费成本去制作一个原型。’”
改进降落伞材料筛选模型可使降落伞行业和应用更具成本效益和时间效率。除了科学任务外，这项工作还可应用于其他场合的降落伞：例如，用于救援工作或娱乐。
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研究成果，在那里他会见了美国宇航局的计算专家和其他程序员，他们将类似他的研究成果融入到他们的模型中。
“很多时候，计算学家需要什么和实验学家认为他们需要什么之间存在沟通上的轻微脱节，最终你无法完成完整的图景，”菲利普说。“认识每个人并了解他们的需求和需要是非常鼓舞人心的。它确实帮助我确定了从这项工作中需要做什么。”
Phillippe 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，并对气流通过的纺织品进行成像，以可视化 3D 变形。