彈射座椅某新型射傘機構工藝的設計路徑

余俊杰，魯葉芬，馬 鈺

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441000）

彈射座椅是飛行員專用座椅，當飛機發生故障或遇難時，依靠動力裝置可以將飛行員彈射出機艙，然后射傘機構彈出降落傘使飛行員緩慢落地。本文提出了一種結構可靠、便于安裝的新型射傘機構，該射傘機構可以實現將救生傘快速拋出的目的，并且在成本方面具有優勢，在結構穩定性方面可靠性較強。

1 彈射座椅射傘系統組成

1.1 射傘系統結構

彈射座椅射傘系統結構如圖1 所示，其主要由傘艙蓋閉鎖機構、射傘機構和其他機構組成，其中閉鎖機構主要用于為射傘機構傘艙蓋提供閉鎖力，進而達到傘艙蓋與彈射座椅傘艙箱體的解鎖和封閉；射傘機構主要實現對引導傘的拋出，達到使彈射座椅安全降落的目的；其他機構中，吊傘掛耳主要固定主傘。

圖1 彈射座椅射傘系統

在彈射座椅射傘機構貯存運輸過程中，射傘機構可以進行拆卸單獨貯運，例如射傘機構可以將引導傘包進行單獨拆卸然后將其貯存于導引筒中進行運輸。在彈射座椅射傘系統安裝過程中，首先需要利用卡塊將射傘活塞缸和導引筒進行連接并固定；其次將引導傘連接繩與主傘包進行連接，確保逃生人員在拉動引導傘連接繩的情況下，主傘可以正常打開；最后關閉傘艙蓋，完成傘艙蓋閉鎖[1]。

在彈射座椅被彈出后，彈射座椅降落速度達到開傘速度要求時，彈射座椅會觸發開傘信號，并打開脫傘艙蓋閉鎖，在開啟扭簧和空氣的雙重作用下，傘艙蓋會快速打開，此時其內部氣體發生器會產生大量氣體，通過氣體推動引導傘包向上運動使引導傘包被拋出，然后引導傘包會拉動主傘使其打開，實現逃生人員的安全降落。

1.2 某新型射傘機構

某新型射傘機構主要包括傘艙蓋、傘艙、傘艙蓋鎖、引導傘安裝座、氣體發生裝置、電連接器、引導傘包和主傘包。該射傘機構傘艙蓋與傘艙之間通過轉軸進行連接，同時傘艙之間采用扭簧連接，當傘艙蓋開啟后可以繼續向開啟方向翻轉；傘艙蓋與傘艙之間安裝可拆卸傘艙蓋鎖，主要用于關閉傘艙蓋；射傘引導傘包和氣體發生裝置均被安裝于引導傘安裝座內，其中氣體發生裝置需要與引導傘安裝座進行固定連接[2]；引導傘安裝座內部設有穿線槽，主要用于連接引導傘和主傘；引導傘和主傘之間采用連接繩進行連接；氣體發生裝置與電連接器進行連接，電連接器可以向氣體發生裝置發送觸動信號，當氣體發生裝置接收到觸動信號后會推動引導傘包移動，同時解鎖傘艙蓋鎖，實現彈射座椅降落傘的打開。

2 某新型射傘機構參數尺寸設計

2.1 射傘活塞缸設計

2.1.1 活塞缸尺寸計算

某新型射傘機構活塞缸主要由氣體發生裝置進行驅動，其輸出端只有一個，沒有供氣回路，射傘機構活塞缸內徑尺寸計算公式為：

式（1）中：F為射傘機構活塞缸推力，設置其為600 N；P為工作壓力，設置其為2 MPa。

基于以上公式和參數，計算出活塞缸內徑尺寸為500 mm，設計直徑為60 mm，其壁厚的計算公式如下：

式（2）中：Pt為活塞缸過載壓力，Pt=1.5P；[σP]為材料應力，[σP]=σb/n，σb為材料抗拉強度，σb=370 MPa。

基于以上公式和參數計算得出活塞缸h＞1.02 mm，初步設定其壁厚為5 mm，外徑為70 mm[3]。

2.1.2 活塞缸尺寸驗證

根據以上設定參數對活塞缸設計壁厚參數進行驗證，計算公式如下：

式（3）中：PN為活塞缸定壓力；σS為活塞缸材料屈服值；DI為液壓缸外徑；PτL為材料塑性變形應力，；E為活塞缸材料彈性模量；v為活塞缸材料泊松比；PE為活塞缸爆裂壓力，PE＞Py。

利用上述公式進行驗證后得出活塞缸壁厚和外徑設計參數滿足活塞缸強度設計要求?；钊赘椎缀投松w計算公式如下：

式（4）中：D為活塞缸體內徑；[σ]為活塞缸端蓋材料應力，取值2.40 Pa；Py為實驗應力，Py=1.5P。

根據以上公式計算得出活塞缸端蓋厚度為5 mm，其結構如圖2 所示。

圖2 活塞缸結構圖

2.1.3 活塞缸螺紋設計

活塞缸上下端蓋與活塞缸缸體之間采用螺紋進行連接，兩端端蓋分別采用內螺紋和外螺紋設計，其連接結構如圖3 所示。

圖3 活塞缸連接結構

連接螺紋強度檢驗主要采用以下公式。

切應力：

拉應力：

合應力：

螺紋強度檢驗公式：

式（5）—（8）中：Fa為螺紋軸向力；d0、d1、d2分別為螺紋大徑、小徑、中徑；h為螺紋高度；z為螺紋圈數。

考慮到活塞缸端蓋壁厚度為5 mm，外徑為700 mm，設置端蓋螺紋長度為12 mm，螺距為1.5 mm，螺紋圈數為8 圈[4]。

2.2 活塞尺寸設計

2.2.1 活塞桿設計

正常工作狀態下，活塞桿僅受軸向載荷的影響，活塞桿直徑計算公式如下：

式（9）中：Fb為活塞桿推力。

根據d/D=0.16～0.4 參考范圍設置活塞桿直徑，由于活塞缸僅需要短時間內做單相推動運行，不需要做反復運動，為進一步提高射傘機構運行效率，需要在保證活塞缸安全性的情況下，降低活塞桿質量，因此可以在參考范圍基礎上減小活塞桿直徑[5]。

利用公式（9）計算得出d≥4.64 mm，為確?；钊麠U螺紋直徑符合強度設計要求，設置活塞桿直徑為10 mm?；钊麠U運動過程中其主要受軸向壓力作用，如果活塞桿強度較低，在活塞桿運動過程中其會發生軸向彎曲現象，當活塞缸軸向壓力為極限值時，活塞桿穩定性會下降，因此需要對活塞桿強度進行檢驗。

活塞桿長細比值：

極限力：

式（11）中：k為計算系數，射傘機構活塞缸為固定狀態，活塞桿為自由運動狀態，其系數k=1/4；E為彈性模量；I為活塞桿慣性半徑；L為活塞缸長度。

利用以上公式對活塞桿強度進行計算，得出活塞桿推力小于活塞缸極限力，活塞缸在正常運動過程中不會出現失穩情況。

2.2.2 活塞厚度設計

通常情況下，為進一步減小活塞缸質量同時節省活塞缸安裝空間，活塞厚度應當輕薄。但是活塞厚度較薄，其使用壽命也會降低，通?；钊睆交蚧钊穸戎g的關系為d=0.4～0.6D，由于彈射座椅射傘機構活塞缸不需要做反復運動，為進一步減少活塞質量，同時保證活塞推力可以滿足推動引導傘包的需求，初步設置活塞厚度為15 mm[6]。

某射傘機構活塞缸采用螺紋方式對活塞桿與活塞進行固定連接，由于座椅彈射過程中，活塞缸中活塞運動較快，為保證其氣密性，采用間隙密封法對活塞缸和活塞進行固定，同時利用丁腈橡膠和聚四氟乙烯密封圈密封活塞。

2.3 導引筒結構設計

射傘機構導引筒主要安裝于傘艙內部，導引筒與彈射座椅之間采用螺栓進行固定，其主要作用是限制引導傘包移動位置，確保引導傘可以向上移動。此外，導引筒內部存在一定空間，可以保證主傘與引導傘連接線可以正常拉出。在設計導引筒直徑時需要考慮引導傘包直徑，使導引筒直徑大于引導傘直徑，以保證引導傘可以正常彈出，導引筒結構如圖4 所示。

圖4 導引筒結構

從圖中可以看出，導引筒設置有螺紋孔，可以利用螺栓將其固定于回收傘艙內部，同時其上方位置設有導槽，可以將主傘包和引導傘進行連接；其底部位置設有卡槽，主要用于與活塞缸進行連接固定。

3 射傘機構強制開艙彈射設計

彈射座椅在使用過程中，會出現射傘機構傘艙蓋閉鎖無法解鎖情況，進而導致傘艙蓋無法正常打開，最終使得逃生人員無法安全落地?？紤]到在彈射座椅使用時傘艙蓋閉鎖無法解鎖的問題，需要利用射傘活塞缸推動力強行將傘艙蓋解鎖，以保證傘艙蓋可以正常開啟[7]。

3.1 強制開艙過程分析

射傘機構傘艙蓋開啟轉動角度和角速度曲線如圖5 所示，從圖中可以看出射傘機構艙蓋強制開啟過程中包括3 個階段。

圖5 射傘機構傘艙蓋開啟轉動角度和角速度曲線

第一階段：活塞做向上運動推動引導傘移動使其與傘艙蓋進行接觸，此時傘艙蓋轉動角度會增大。

第二階段：該階段活塞缸不再做功，主要由傘艙蓋重力荷載、扭力彈簧對其做功，使傘艙蓋轉動至90°。

第三階段：當傘艙蓋轉動角度大于90°時，空氣阻力、中立和扭力彈簧對傘艙蓋做功，由于扭力彈簧扭矩會隨著傘艙蓋角度增加而逐漸減小，同時空氣阻力也隨著傘艙蓋投射陰影減小而減小，此時傘艙蓋轉動速度會減慢[8]。

3.2 影響強制開艙的因素

傘艙蓋強制開艙設計不僅需要考慮傘包末速度因素外，還需要考慮傘艙蓋扭簧預壓縮角度和剛度對傘包末速度產生的影響，在傘艙蓋強制開艙設計過程中盡量降低傘艙蓋角速度，以減少傘艙蓋對彈射座椅產生的沖擊，其影響因素如表1 所示。射傘機構氣缸推力和其他尺寸參數對于傘包末速度影響較大，其中預壓縮角度、扭簧扭矩對傘包末速度影響較小。根據以上實驗結果，假設測試結果響應值為ki，射傘機構設計參數對傘艙蓋和傘包末速度影響效果如表2 所示。

表1 影響因子及取值范圍

表2 影響因素測試分析表

從表中可以看出，扭簧參數對于射傘機構影響較小，因此在考慮傘包末速度過程中可以忽略扭簧參數對傘艙蓋轉動影響。通過對以上參數進行優化，優化結果如表3 所示。

表3 優化參數表

根據表中優化結果，選取方案1 參數并取其整數，然后設置射傘機構初始壓強為2 MPa。在該參數工作模式下，射傘機構可以正常解鎖傘艙蓋，并且可以在傘艙蓋無法解鎖的情況下進行強制開啟，同時也可以滿足引導傘包快速彈出的要求，其彈出速度為31 m/s，滿足射傘機構工作要求。

4 結論

綜上所述，本文提出了一種新型射傘機構，滿足了安裝便利、結構簡單以及可以實現傘包正常彈出的要求，同時基于射傘機構原理，闡述了射傘機構各項參數尺寸設計方案，然后考慮到射傘結構故障情況下，傘艙無法正常開啟的問題，分析了強制開倉彈出傘包的過程，最后對射傘機構參數進行了優化，確保了射傘機構在故障情況下仍然可以有充足的推動力彈出傘包。