飞机弹射救生系统人椅离机阶段自由飞受力及影响分析

,人-椅系统离机（自由飞）阶段制作人：邓晓语西北工业大学航空学院,弹射救生系统的主要功能是在飞行器发生故障而无法正常返回时，保证飞行员及乘员能立即安全脱离飞行器，下降着陆（或水面）、生存待援以及最后安全返回基地。弹射救生系统分为密闭式弹射救生系统和敞开式弹射救生系统。密闭式弹射救生系统包括舱盖带离弹射座椅、密闭弹射座椅和分离座舱，由于存在重量大、成本高、结构复杂和低空救生性能差等缺点，密闭式弹射救生系统没有得到推广应用。目前，世界上使用最多的还是敞开式弹射救生系统，由飞行员和弹射座椅组成的人椅系统是其中的重要子系统。弹射座椅是弹射救生系统的一个主要救生装备。在飞机正常飞行时，弹射座椅供飞行员舒适乘坐以保证正常工作，当飞机遇到险情以至不可挽救时，弹射座椅通过动力装置将人椅,系统迅速弹离飞机，然后人、椅分离，打开救生主伞，飞行员乘主伞缓慢下降，直至安全降落到地（水）面。飞机弹射救生过程如图所示。一般可分为六个主要阶段：弹射准备阶段，抛座舱盖阶段，弹射离机阶段，稳定减速阶段，人、椅分离和乘坐主伞降落阶段和安全着陆（或水面）阶段。本文着重介绍弹射离机即自由飞阶段。,人椅离机,初始条件的确立,座椅弹射过程中受力分析,各种参数的影响,参考文献,自由飞阶段从人-椅系统立即开始，直到打开救生伞为止,1、初始条件的建立,弹射座椅与飞机分离之前，获得延导轨方向的弹射出口速度（出仓速度，即出仓第三阶段结束点的速度）vk0，其值取决于弹射机构弹射的能量。同时，座椅还有沿飞机方向飞行的惯性速度vf。因此座椅的初始速度为二者的和速度v0。如图所示为速度分析和坐标分析.,2、座椅运功过程中受力分析,以火箭弹射座椅为例，分析受力状况。如图所，这一阶段中，作用在人椅系统上的外力主要有气动阻力Q、火箭助推器的推力F、气动升力P、弹射重力G等。,气动阻力Q,2,火箭助推器的推力F,3,4,5,气动升力P,弹射重力G,稳定伞阻力、俯仰阻尼等,1,包括：,2、座椅运功过程中受力分析,2.1气动阻力Q把气流坐标系转换到地面坐标系上，气动阻力在地面坐标系三个轴上的投影可依据其中，把上述两个式子代入，可得气动阻力在各轴上的分力为：,2、座椅运功过程中受力分析,式中，为人椅系统航迹倾斜角，即人椅系统重心合成速度矢量与水平面（Oxz）之夹角；人椅系统航迹偏转角，即人椅系统重心合成速度矢量与水平面（Oxz）上的投影与Ox轴之夹角。,2、座椅运功过程中受力分析,2.2火箭助推器的推力F由于推力F与Oy轴上有一夹角为火箭安装包角，故推力F在坐标系上的分力可依此计算。火箭推力的分量为：求得火箭推力在各轴上的分量为：,2、座椅运功过程中受力分析,式中，为弹射救生系统的迎角，在Oxy平面中，Ox轴与弹射救生系统速度矢量在Oxy平面上投影的夹角（顺时针方向为增加方向）。同理可得：2.3气动升力P救生系统的气动升力P在地面坐标系上的投影可按照下式求得：,2、座椅运功过程中受力分析,同理可得：式中，为弹射救生系统的滚转角。2.4弹射重力G由于重力的方向始终向下，即指向y轴，所以弹射救生系统的弹射重力在各轴上的分力为：,2、座椅运功过程中受力分析,综上假设和分析，可建立弹射救生系统重心在地面坐标系上的运动方程：,2、座椅运功过程中受力分析,为求解上面的三个基本运动方程，还需要辅助方程：式中，v为弹射救生系统的运动速度（m/s）；为空气密度（3kg/m）；xC、yC分别为救生系统系统的气动阻力系数、升力系数。,3、各种参数的影响,1.气动力系数的影响气动力参数对最低救生高度有很大的影响，而这种影响主要受飞机飞行姿态的限制。平飞时（飞机滚转角o=0f），升力系数大则最低安全救生高度最小；倒飞时（飞机滚转角o=180f），由于变成向下弹射，所以气动力系数的影响正好与平飞时的相反。俯冲时，气动升力对最低救生高度无影响。2.飞机飞行速度的影响对于不同的飞机滚转角，弹射救生系统会有不同的弹射方向，从而影响变化规律。随着飞机飞行速度的增加，最低安全救生高度也在增加，在飞机滚转角o=0f的情况下，这种增加几乎呈线性变化。,3、各种参数的影响,3.火箭包安装角的影响火箭包安装角对最低救生高度的影响不太显著，主要是因为安装角的变化较小（oo110）尤其是在平飞状态下，影响更小。4.弹射救生系统质量的影响弹射救生系统质量的影响一般与飞机飞行姿态有关在oo=090f范围内，质量与最低安全救生高度成正比，随着质量的增加，最低安全救生高度也在增加；而在oo=90180f范围内，其变化规律则正好相反。,3、各种参数的影响,5.座椅阻力特征的影响座椅阻力特征的增加，将会增加座椅沿导轨方向的阻力（主要为水平方向），从而使座椅达到垂直尾翼的时间缩短。由于其在Y方向的分力过小，所以影响不大。由于越过垂直安定面的时间缩短，故在此的轨道高度会降低。6.座椅升力特征的影响座椅的升力系数在其工作区域时一般为负，升力特征增大，引起负升力增加，从而导致座椅运动轨迹下降。由于升力在水平方向的分力很小，则其对水平方向位移的影响很小。,3、各种参数的影响,7.导轨倾角的影响导轨倾角对轨迹的影响很大，倾角越大，轨迹高度越低。同时，又由于倾角的增加，会相对缩短到达垂直安定面的时间，从而降低垂直尾翼处的轨道高度。由此可见，轨迹倾角的变化，会从两个方面影响轨迹高度，并且影响显著。8.弹射出口速度的影响弹射出口速度的增加，就是使轨迹高度和相对位移都增加，轨道高度的变化更加明显。,3、各种参数的影响,9.空气可压缩性的影响弹射装置的迎面阻力系数随空气可压缩性的增加而增加。所以在座椅运动速度十分大的一段轨迹上，座椅总的迎面阻力也增大，其值的增加可缩短越过垂直安定面所需的时间。,4.参考文献,1、韩冰.弹射座椅冲击动力学虚实混合仿真研究.航空学报.2003.072、胡国才.弹射座椅救生性能研究.飞行力学.2000.123、余莉.弹射座椅性能分析软件研制.南京航空航天大学学报.2005.024、郁嘉.风对弹射座椅救生性能的影响.飞行力学.2013.065、胡国才.座椅救生性能研究.北京航空航天大学学报.2013.046、张玉刚.飞机弹射救生过程人椅运动仿真.航空计算技术.20097、杨俊虎.飞机弹射座椅关键机构的运动仿真及结构优化.南昌航空大学学报.2012.068、江南.飞机的弹射救生.南京航空航天大学学报.2009.06,4.参考文献,9、田佳林.航空弹射座椅结构设计与仿真分析研究.长春理工大学学报.2011.0410、魏靖彪.某型飞机弹射救生人椅系统运动分析.弹箭与制导学报.2012.22-0411、魏涛.人椅系统的高速气流吹袭防护技术研究.