火箭彈射座椅運動穩定性能數值仿真研究

摘 要：穩定性是火箭彈射座椅的一項重要性能指標，對座椅進行穩定性分析是座椅研制過程中

的重要工作。本文以火箭彈射座椅為研究對象，采用六自由度性能仿真方法對火箭彈射座椅的運動性能進行研究，以三向角速度為指標對座椅穩定性進行評估分析，客觀分析了彈射座椅的穩定性能。

關鍵詞：火箭彈射座椅 穩定性 數值仿真 研究

中圖分類號：V445 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1引言

彈射座椅的穩定性對飛機彈射救生安全具有十分重要的意義，彈射座椅的穩定性，是其能否達到安全救生的重要因素。由于彈射座椅的外形不規則，呈鈍頭形，人-椅系統在與飛機分離后，受氣動力的作用，人-椅系統運動將更不穩定。人椅系統的不穩定運動將引起一系列的嚴重后果，軌跡降低，局部過載增大，旋轉直接損傷人體以及人椅分離時救生傘發生纏繞等。因此，不穩定的彈射座椅不能保證安全救生。本文通過建立彈射座椅六自由度仿真軟件，對火箭彈射座椅的運動穩定性能進行數值仿真研究，以三向角速度為指標對火箭彈射座椅穩定性能進行評估分析。

2數學模型

對彈射座椅運動穩定性能進行數值仿真研究，必須首先建立彈射座椅在自由飛階段（人-椅系統脫離飛機座艙的彈射導軌開始至人椅分離系統工作、射出救生傘為止）的六自由度數學模型。在自由飛階段，彈射座椅運動主要受到火箭包推力、氣動力、重力的影響，本文通過結合座椅基本參數、彈道運動理論基礎，建立了座椅動力學、運動學方程，編制了彈射座椅運動穩定性能數值仿真軟件，對彈射座椅進行運動穩定性能數值仿真研究。

2.1 動力學方程

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

2.2 運動學方程

要確立人-椅系統在空間的姿態，就需要建立人-椅系統在地面坐標系下的運動學方程，描述人-椅系統相對地面的坐標變化和姿態變化，即建立姿態角 對時間的導數和轉動角速度 之間的關系。根據體軸坐標系和地面坐標系之間的變換關系，可以知道彈射座椅相對于地面坐標系的旋轉角速度 實際上是按照偏航角 、俯仰角 和滾轉角 的順序，經三次旋轉的轉動角速度的矢量合成，這三次轉動的角速度在體軸系中的分量分別是：

， ，

經變換后得：

人-椅系統在體軸坐標系下的速度方程經坐標變換即可得到在地面坐標系下的速度方程，即：

將上述兩式展開，可以得到人-椅系統質心轉動和質心位移的運動學方程，其一般形式如下：

3 數值仿真

根據座椅實際及仿真分析需要，本次仿真工況為不同百分位數飛行員與座椅組合的人-椅系統在飛機平飛時（橫滾角、俯仰角、偏航角均為0）在不同速度下自由飛過程中的人-椅系統的三向角速度。飛機彈射時表速按0、250km/h、450km/h、650km/h、850km/h、1100km/h進行。在本次仿真中，角速度是隨時間變化的過程量，若將每一種仿真工況的三向角速度變化過程數據全部顯示，數據量將特別龐大，而且也非必需。座椅穩定性考核的主要是運動角速度的最大值，因此本次仿真計算結果中只列出三向角速度的最大值，仿真結果如表1所示。

表1 各工況下人椅系統三向角速度最大值

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 仿真結果分析

（1）彈射座椅運動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。這可從座椅的結構和動力配置中得到解釋。在座椅自由飛階段，由于火箭包推力關于縱向對稱面對稱，除了氣動外形不對稱導致氣動力產生橫滾力矩或偏航力矩外，沒有其它力能使座椅產生橫滾或偏航運動，而由于氣動外形不對稱導致的氣動力產生的橫滾力矩或偏航力矩并不大，因此使座椅運動過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。即對俯仰角速度而言，小重量是最危險狀態。其主要原因是由于不同百分比重量的人-椅系統其偏心距不同造成的，實際上俯仰角速度對彈射重量并不敏感，單純彈射重量的變化并不會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，在數值仿真過程中，對大重量進行仿真時對應的是小偏心距，而對小重量進行仿真時對應的是大偏心距。（3）隨著彈射速度的增加，座椅俯仰運動的角速度并不呈現單一的增減規律。在0～650km/h范圍內，彈射速度的增加會使俯仰運動的角速度極值減小；在850km/h以上范圍內，彈射速度的增加會使俯仰運動的角速度極值增加。這樣的現象是由座椅的動力配置和氣動特征決定的。對火箭彈射座椅來講，火箭動力提供座椅抬頭運動力矩，這是顯而易見的，而氣動力則提供座椅低頭運動力矩。

參考文獻

[1] 翟志強，蔡瑞嬌. 火箭彈射座椅彈射動力系統內彈道模型建立與計算， 含能材料，2006，3 [2] 董海平， 蔡瑞嬌. 火箭彈射座椅Bayes可靠性評估方法， 北京理工大學學報，2007，8

[3] 馬登武. 火箭彈射座椅軌跡發散技術研究. 飛機設計，2006，2.