飞机弹射救生系统人椅离机阶段(自由飞)受力及影响分析

1、 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

2、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。人椅人椅离机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、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

3、段结束点的速度）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，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。因此座椅的初始速度为二者的和速度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如图所示为速度分析和坐标分析分析.2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析以火箭弹射座椅为例，分析受以火箭弹射座椅为例，分析受力状况。力状况。如如 图图 所，这所，这 一一 阶阶 段段 中，中， 作作 用用 在人在人 椅椅 系系 统统 上的上的 外外 力力 主要主要 有有 气气 动动 阻力

4、阻力 Q 、火箭、火箭 助助 推器推器 的的 推力推力 F 、气气 动升动升 力力 P 、弹、弹 射重射重 力力G 等。等。气动阻力Q2火箭助推器的推力 F345气动升力P弹射重力G稳定伞阻力、俯仰阻尼等1包括：包括：2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析 2.1 气气 动阻动阻 力力 Q 把气把气 流流 坐坐 标系标系 转转 换换 到地到地 面面 坐坐 标系标系 上上 ， 气气 动阻动阻 力力 在在 地地面面 坐坐 标标 系三系三 个个 轴轴 上的上的 投投 影影 可依可依 据据 其中其中 ， 把上述两个式子把上述两个式子 代代 入入 ，可，可 得得 气气 动阻动阻 力力 在在

5、各轴各轴 上上 的的 分力分力 为为 ： 2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析式中式中 ， 为人为人 椅椅 系统系统 航航 迹迹 倾斜倾斜 角角 ， 即即 人椅人椅 系系 统统 重心重心 合合 成成 速速 度矢度矢 量量 与与 水平水平 面面 （ Ox z ）之夹之夹 角；角； 人椅人椅 系系 统统 航迹航迹 偏偏 转转 角角 ，即，即 人人 椅椅 系统系统 重重 心合心合 成速成速 度度 矢矢 量量 与水与水 平平 面面 （ Ox z ）上的上的 投影投影 与与 Ox 轴之轴之 夹角夹角 。 2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析2.2 火箭火箭 助助 推器推器 的

6、的 推力推力 F由由 于于 推推 力力 F 与与O y轴轴 上上 有有 一一 夹夹 角角 为为 火火 箭箭 安安 装装 包包 角角 ， 故故 推推 力力 F 在在 坐坐 标标 系系 上的分上的分 力力 可可 依此依此 计计 算算 。 火箭火箭 推推 力力 的分的分 量量 为为 ： 求得求得 火火 箭箭 推力推力 在在 各轴各轴 上上 的的 分量分量 为为 ： 2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析 式中式中 ， 为弹为弹 射射 救生救生 系系 统的统的 迎迎 角，角， 在在 O xy平平 面中面中 ， O x轴轴 与弹与弹 射射 救生救生 系系 统速统速 度度 矢量矢量 在在 O

7、xy平平 面上面上 投投 影的影的 夹夹 角角（ 顺时顺时 针针 方向方向 为为 增加增加 方方 向）向） 。 同理同理 可得可得 ： 2.3 气动升力气动升力P 救生救生 系系 统的统的 气气 动动 升力升力 P 在在 地面地面 坐坐 标系标系 上上 的的 投影投影 可可 按按照照 下下 式式 求得求得 ： 2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析同理同理 可得可得 ：式中，式中，为弹射救生系统的滚转角。为弹射救生系统的滚转角。 2.4 弹弹 射重射重 力力 G由于由于 重重 力力 的方的方 向向 始始 终向终向 下下 ， 即即 指指 向向 y 轴，轴， 所所 以以 弹弹 射救射救

8、 生生 系系 统的统的 弹弹 射射 重力重力 在在 各各 轴上轴上 的的 分力分力 为为 ： 2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析 综上综上 假假 设设 和分和分 析析 ， 可建可建 立立 弹弹 射救射救 生生 系系 统重统重 心心 在在 地面地面 坐坐 标标 系上系上 的的 运运 动方动方 程程 ：2、座椅运功过程中受力分析、座椅运功过程中受力分析 为求为求 解解 上面上面 的的 三个三个 基基 本运本运 动方动方 程程 ，还，还 需需 要辅要辅 助助 方程方程 ： 式中式中 ， v 为弹为弹 射射 救生救生 系系 统统 的运的运 动动 速度速度 （ m / s）；）； 为为空

9、空 气气 密度密度 （ 3kg / m）；）；xC 、yC分别分别 为为 救生救生 系统系统 系系 统的统的 气气 动阻动阻 力力 系数系数 、 升力升力 系系 数数 。 3 、各种各种 参数参数 的的 影影 响响 1. 气动气动 力力 系数系数 的的 影影 响响 气动气动 力力 参参 数对数对 最最 低低 救生救生 高高 度度 有很有很 大大 的的 影响影响 ， 而这而这 种种影影 响响 主主 要受要受 飞飞 机机 飞行飞行 姿姿 态态 的限的限 制制 。平。平 飞飞 时（时（ 飞飞 机机 滚滚转转 角角 o=0f ），升力），升力 系数大系数大 则最则最 低安低安 全全 救生救生 高度高度

10、 最最 小小 ； 倒倒 飞时飞时 （ 飞机飞机 滚滚 转转 角角 o=18 0 f ），）， 由于由于 变变 成向成向 下下 弹射弹射 ， 所以所以 气气 动力动力 系系 数的数的 影影 响响 正正 好与好与 平平 飞时飞时 的的 相相 反。反。 俯俯 冲冲 时，时， 气气 动升动升 力力 对对 最低最低 救救 生高生高 度度 无无 影响影响 。 2. 飞飞 机飞机飞 行速行速 度度 的影的影 响响 对于对于 不不 同同 的飞的飞 机机 滚滚 转角转角 ， 弹弹 射救射救 生生 系系 统会统会 有有 不不 同同 的的弹弹 射射 方方 向，向， 从从 而而 影响影响 变变 化化 规规 律律 。

11、随随 着着 飞飞 机机 飞飞 行行 速速 度度 的的 增增 加加 ， 最最 低低 安安 全全 救救 生生 高高 度度 也也 在在 增增 加加 ， 在在 飞飞 机机 滚滚 转转 角角o=0f 的情的情 况况 下，下， 这这 种种 增增 加几加几 乎乎 呈呈 线线 性变性变 化化 。 3 、各种各种 参数参数 的的 影影 响响 3. 火火 箭包箭包 安装安装 角角 的影的影 响响 火箭火箭 包包 安安 装角装角 对对 最最 低救低救 生生 高高 度的度的 影影 响响 不太不太 显显 著著 ，主要，主要 是是 因因 为安为安 装装 角角 的变的变 化化 较较 小（小（ oo110 ）尤）尤 其其 是

12、是 在平在平 飞飞 状状 态下态下 ， 影影 响更响更 小小 。 4. 弹弹 射救射救 生生 系统系统 质质 量量 的影的影 响响 弹射弹射 救救 生系生系 统统 质量质量 的的 影响影响 一一 般与般与 飞飞 机飞机飞 行行 姿态姿态 有有 关关 在在 oo=090 f 范范 围内围内 ， 质量质量 与与 最最 低安低安 全全 救救 生生 高度高度 成成 正正 比比， 随着随着 质质 量的量的 增增 加加 ， 最低最低 安安 全全 救生救生 高高 度度 也也 在增在增 加加 ； 而在而在 oo=9 0180f范围范围 内内 ， 其变其变 化化 规律规律 则则 正正 好相好相 反反 。3 、各

13、种、各种 参数参数 的的 影影 响响 5.座椅阻力特征座椅阻力特征的影的影 响响 座椅阻力特征的增加，将会增加座椅沿导轨方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。由于其在到垂直尾翼的时间缩短。由于其在Y方向的分方向的分 力过小，所以影响不大。由于越过垂直安定面力过小，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。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，引座椅的升力系数在其工作

14、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。方向的分力很小，则其对水平方向位移的影响很小。3 、各种、各种 参数参数 的的 影影 响响 7.导轨倾角导轨倾角的影的影 响响 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，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，而降低垂直尾翼处

15、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。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。道高度的变化更加明显。3 、各种、各种 参数参数 的的 影影 响响 9.空气可压缩性空气可压缩性的影的影 响响 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在座椅运动速度十分大的一段轨迹上，

16、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。大，其值的增加可缩短越过垂直安定面所需的时间。4.参考文献参考文献 1、韩冰、韩冰 .弹射座椅冲击动力学虚实混合仿真研究弹射座椅冲击动力学虚实混合仿真研究.航空学报航空学报 .2003.07 2、胡国才、胡国才.弹射座椅救生性能研究弹射座椅救生性能研究.飞行力学飞行力学.2000.12 3、余莉、余莉.弹射座椅性能分析软件研制弹射座椅性能分析软件研制.南京航空航天大学学报南京航空航天大学学报.2005.02 4、郁嘉、郁嘉.风对弹射座椅救生性能的影响风对弹射座椅救生性能的影响.飞行力学飞行力学.2013.06 5、胡国才、胡国才

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