火箭彈射座椅運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能數(shù)值仿真研究

吳亮++吳銘

摘 要：穩(wěn)定性是火箭彈射座椅的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，對(duì)座椅進(jìn)行穩(wěn)定性分析是座椅研制過(guò)程中

的重要工作。本文以火箭彈射座椅為研究對(duì)象，采用六自由度性能仿真方法對(duì)火箭彈射座椅的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，以三向角速度為指標(biāo)對(duì)座椅穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估分析，客觀分析了彈射座椅的穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞：火箭彈射座椅 穩(wěn)定性 數(shù)值仿真 研究

中圖分類(lèi)號(hào)：V445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1 引言

彈射座椅的穩(wěn)定性對(duì)飛機(jī)彈射救生安全具有十分重要的意義，彈射座椅的穩(wěn)定性，是其能否達(dá)到安全救生的重要因素。由于彈射座椅的外形不規(guī)則，呈鈍頭形，人-椅系統(tǒng)在與飛機(jī)分離后，受氣動(dòng)力的作用，人-椅系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)將更不穩(wěn)定。人椅系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)將引起一系列的嚴(yán)重后果，軌跡降低，局部過(guò)載增大，旋轉(zhuǎn)直接損傷人體以及人椅分離時(shí)救生傘發(fā)生纏繞等。因此，不穩(wěn)定的彈射座椅不能保證安全救生。本文通過(guò)建立彈射座椅六自由度仿真軟件，對(duì)火箭彈射座椅的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能進(jìn)行數(shù)值仿真研究，以三向角速度為指標(biāo)對(duì)火箭彈射座椅穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)估分析。

2 數(shù)學(xué)模型

對(duì)彈射座椅運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能進(jìn)行數(shù)值仿真研究，必須首先建立彈射座椅在自由飛階段（人-椅系統(tǒng)脫離飛機(jī)座艙的彈射導(dǎo)軌開(kāi)始至人椅分離系統(tǒng)工作、射出救生傘為止）的六自由度數(shù)學(xué)模型。在自由飛階段，彈射座椅運(yùn)動(dòng)主要受到火箭包推力、氣動(dòng)力、重力的影響，本文通過(guò)結(jié)合座椅基本參數(shù)、彈道運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)，建立了座椅動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，編制了彈射座椅運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能數(shù)值仿真軟件，對(duì)彈射座椅進(jìn)行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能數(shù)值仿真研究。

2.1 動(dòng)力學(xué)方程

式中： 為廣義歐拉角（俯仰、滾轉(zhuǎn) 、偏航）， 分別為彈射座椅姿態(tài)火箭推力、主火箭推力、偏心距。Q、P、R分別為三個(gè)方向的氣動(dòng)力， 、 、 分別為三個(gè)方向氣動(dòng)力矩。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

要確立人-椅系統(tǒng)在空間的姿態(tài)，就需要建立人-椅系統(tǒng)在地面坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，描述人-椅系統(tǒng)相對(duì)地面的坐標(biāo)變化和姿態(tài)變化，即建立姿態(tài)角 對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 之間的關(guān)系。根據(jù)體軸坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，可以知道彈射座椅相對(duì)于地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度 實(shí)際上是按照偏航角 、俯仰角 和滾轉(zhuǎn)角 的順序，經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的矢量合成，這三次轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度在體軸系中的分量分別是：

， ，

經(jīng)變換后得：

人-椅系統(tǒng)在體軸坐標(biāo)系下的速度方程經(jīng)坐標(biāo)變換即可得到在地面坐標(biāo)系下的速度方程，即：

將上述兩式展開(kāi)，可以得到人-椅系統(tǒng)質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)和質(zhì)心位移的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，其一般形式如下：

3 數(shù)值仿真

根據(jù)座椅實(shí)際及仿真分析需要，本次仿真工況為不同百分位數(shù)飛行員與座椅組合的人-椅系統(tǒng)在飛機(jī)平飛時(shí)（橫滾角、俯仰角、偏航角均為0）在不同速度下自由飛過(guò)程中的人-椅系統(tǒng)的三向角速度。飛機(jī)彈射時(shí)表速按0、250km/h、450km/h、650km/h、850km/h、1100km/h進(jìn)行。在本次仿真中，角速度是隨時(shí)間變化的過(guò)程量，若將每一種仿真工況的三向角速度變化過(guò)程數(shù)據(jù)全部顯示，數(shù)據(jù)量將特別龐大，而且也非必需。座椅穩(wěn)定性考核的主要是運(yùn)動(dòng)角速度的最大值，因此本次仿真計(jì)算結(jié)果中只列出三向角速度的最大值，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各工況下人椅系統(tǒng)三向角速度最大值

速度

km/h 彈射

重量 最大角速度（ °/s）

橫滾 偏航 俯仰

0 大 1.0 3.5 337.8

中 0.8 3.1 425.2

小 0.8 3.3 527.5

250 大 -3.1 -7.7 272.6

中 -3.1 -8.8 325.2

小 -3.3 -9.6 385.9

450 大 -5.8 21.1 191.5

中 6.4 21.4 217.9

小 7.4 21.2 250.0

650 大 -17.9 29.2 163.0

中 -23.0 31.9 180.5

小 -29.1 33.8 203.9

850 大 -25.3 22.4 246.8

中 -26.5 26.6 256.5

小 -29.1 35.7 275.7

1100 大 -19.0 11.3 303.7

中 -24.1 11.7 314.8

小 -33.7 14.1 335.3

4 仿真結(jié)果分析

（1）彈射座椅運(yùn)動(dòng)的橫滾角速度和偏航角速度值均不大，僅俯仰角速度值較大。這可從座椅的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力配置中得到解釋。在座椅自由飛階段，由于火箭包推力關(guān)于縱向?qū)ΨQ(chēng)面對(duì)稱(chēng)，除了氣動(dòng)外形不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致氣動(dòng)力產(chǎn)生橫滾力矩或偏航力矩外，沒(méi)有其它力能使座椅產(chǎn)生橫滾或偏航運(yùn)動(dòng)，而由于氣動(dòng)外形不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的氣動(dòng)力產(chǎn)生的橫滾力矩或偏航力矩并不大，因此使座椅運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的橫滾角速度和偏航角速度值不大。（2）彈射座椅俯仰角速度與彈射重量成反比。彈射重量越大，俯仰角速度越小，反之亦然。即對(duì)俯仰角速度而言，小重量是最危險(xiǎn)狀態(tài)。其主要原因是由于不同百分比重量的人-椅系統(tǒng)其偏心距不同造成的，實(shí)際上俯仰角速度對(duì)彈射重量并不敏感，單純彈射重量的變化并不會(huì)造成俯仰角速度的較大變化。俯仰角速度敏感的是彈射重量背后的偏心距，在數(shù)值仿真過(guò)程中，對(duì)大重量進(jìn)行仿真時(shí)對(duì)應(yīng)的是小偏心距，而對(duì)小重量進(jìn)行仿真時(shí)對(duì)應(yīng)的是大偏心距。（3）隨著彈射速度的增加，座椅俯仰運(yùn)動(dòng)的角速度并不呈現(xiàn)單一的增減規(guī)律。在0～650km/h范圍內(nèi)，彈射速度的增加會(huì)使俯仰運(yùn)動(dòng)的角速度極值減?。辉?50km/h以上范圍內(nèi)，彈射速度的增加會(huì)使俯仰運(yùn)動(dòng)的角速度極值增加。這樣的現(xiàn)象是由座椅的動(dòng)力配置和氣動(dòng)特征決定的。對(duì)火箭彈射座椅來(lái)講，火箭動(dòng)力提供座椅抬頭運(yùn)動(dòng)力矩，這是顯而易見(jiàn)的，而氣動(dòng)力則提供座椅低頭運(yùn)動(dòng)力矩。

參考文獻(xiàn)

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