弹射救生数值仿真及不利姿态下救生性能分析

 国内弹射座椅救生性能预测分析主要依赖地面弹射试验。由于国内相关试验设备的缺乏,不利姿态下弹射座椅的救生性能很难通过试验获得,因此国内不利姿态下弹射座椅救生性能的分析研究比较薄弱。采用数值仿真的方法对弹射座椅的救生性能进行预测和分析,针对弹射座椅弹射过程的4个阶段分别建立了数学模型,其中自由飞阶段采用四元数法代替欧拉速率方程,以解决传统的六自由度方程出现的奇异性问题。采用四阶龙格-库塔法对数学模型进行求解,计算结果与地面弹射试验结果吻合较好。在此基础上,对某新型弹射座椅的弹射姿态轨迹进行计算,分析研究了弹射座椅在不利姿态下的救生性能,得到不利姿态下弹射座椅救生性能不佳的主要原因是座椅高速稳定性差以及飞机向下的牵连速度和飞机滚转角的影响,并根据分析结果提出了改善弹射座椅不利姿态下救生性能的基本方法。     

密闭式弹射座椅稳定减速技术研究

建立了适用于临近空间条件下的密闭式弹射座椅模型,采用计算流体力学(CFD)方法研究了座椅的外流场。根据外流场研究结果设计了两种可能的稳定减速方案,通过比较气动特性,选取了较优的稳定减速方案。最后,通过性能计算方法研究了座椅出舱后的运动情况,对稳定减速方案的参数进行了优化。     

弹射座椅救生性能研究

针对座椅在铅垂面内弹射的简化模型,建立了系统的非线性运动方程,然后用推进阵面法建立了人－椅系统平面的非结构网络,并用Ｅｕｌｅｒ方程作为主控方程对某型座椅的气动阻 力系数,升力系数和气动力矩系数进行了验证性计算,最后对非线性运动方程在时域内进行积分,得到人－椅系统运动轨迹,运动速度和旋转角速度等性能参数,并与座椅弹射测试结果进行了比较分析,结果表明,用非结构网络计算的座椅气动特性与座椅吹风数据吻合,计算了弹射救生性能曲线与试验数据的趋势基本一致。     

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究

针对国内弹射救生领域现状,设计了一种适合于国内某型座椅的弹射救生系统稳定板。运用计算流体力学(CFD)数值计算方法,对改装稳定板前后的人椅系统进行了高速流场下的静态和动态特性分析,并与风洞试验结果进行对比,两者吻合较好。改装稳定板前后的数值计算对比表明:在不对俯仰和滚转性能产生不利影响的情况下,稳定板的改装对人椅系统的偏航性能有比较明显的改善。六自由度动态计算比较真实地模拟了弹射出舱的过程,也进一步验证了稳定板对改善偏航稳定性能所起到的作用。数值计算完全可以应用于弹射座椅的气动研究,同时稳定板的设计对工程上的应用具有一定的参考价值。     

过载与弹射速度关系研究及神经网络实现

 弹射速度是弹射座椅双态程序控制的主要输入参数之一,其和弹射高度一同决定了救生伞的开伞时间。试验发现,在某些特定的条件下,弹射速度的测量会出现较大误差从而严重影响弹射救生系统的救生性能。提出一种根据弹射座椅出舱瞬间人椅系统体轴 x 方向过载( n_x )值判断弹射速度的方法。建立了人椅系统出舱阶段的数学模型,在MSC.EASY5基础平台上开发了模块化的仿真模型,并基于批处理原理进行了求解器设计。通过数值仿真,建立了平飞状态不同弹射高度及弹射离机质量下体轴 x 方向过载值与弹射速度之间的关系曲线。利用基于误差反向传播算法的人工神经网络,即BP神经网络实现了输入向量（弹射高度及体轴 x 方向过载）到输出值（弹射速度）之间的连续非线性映射。分析了不利姿态参数对关系曲线的影响,在满足工程要求的情况下,可以忽略其影响。用本文方法判断得到的弹射速度与地面弹射试验数据进行了比较,结果表明误差满足工程要求,可以作为弹射速度测量的一种余度设计。     

两级弹射筒与三级弹射筒座椅性能的对比分析

弹射筒作为火箭弹射座椅的一级动力,其作用是为人-椅系统弹射出舱提供一定初速。原三级弹射取消一段中筒后变为两级弹射筒,其弹射行程变短、出舱初速降低、出舱时间缩短,这些对座椅的弹射出舱性能以及弹射性能产生一定影响。本文对三级弹射筒和两级弹射筒从出舱受载、出舱姿态、总压信号采集、救生性能等方面特点进行了对比分析。通过试验数据和仿真结果的综合分析,认为采用两级弹射筒,座椅在出舱受载、出舱姿态等方面较三级弹射筒座椅得到了一定改善。     

风对弹射座椅救生性能的影响

 针对某型弹射座椅建立了考虑风速的弹射过程动力学模型。选取不同风速风向和不同弹射速度作为计算状态,对弹射救生过程进行数值仿真,根据仿真结果分析风对弹射座椅救生性能的影响。通过在低速和中速两个弹射速度下,前向风、侧向风和大气垂直运动对弹射座椅救生性能影响的分析可知:较大的逆风不但会降低伞衣充满的轨迹高度,而且会产生人伞系统的振荡和摇摆,对安全救生存在一定的影响;大气的垂直运动对弹射救生系统的救生性能影响最大,它直接影响到救生系统的纵向运动轨迹。研究结果表明:前向风、侧向风和大气垂直运动均会对弹射座椅的救生性能产生不利影响,在真实的弹射过程中必须考虑风速对弹射救生性能的影响。     

飞机弹射座椅椅载设备载荷谱获取方法研究

椅载设备作为飞机弹射座椅的重要组件,是弹射救生过程有序、可靠、安全实现的重要保障,其在振动环境下的力学行为直接关系到座椅弹射救生过程的成败,因此准确获取椅载设备的载荷谱并开展椅载设备在动力学环境下的力学性能分析具有重要的理论价值和工程意义。以某型飞机弹射座椅为研究对象,将获取的弹射座椅载荷谱作用于弹射座椅,通过数值仿真分析提取并包络椅载设备安装位置处的响应,得到椅载设备的载荷谱。获得的载荷谱相比之前直接将弹射座椅载荷谱作用于椅载设备更符合实际情况,分析结果能够为椅载设备研究的可靠性提供数据支撑。     

弹射救生过程数值计算及损伤风险评估

针对从弹射程序启动到飞行员着陆之间的各个阶段,建立了能够对横滚、俯冲等复杂弹射条件进行计算的数学模型。结合某型座椅的具体参数与气动力数据,针对具体算例求解了弹射救生过程,与实验结果进行了对比。根据模型的计算结果,以动态响应指数(DRI)对不同弹射初速下的损伤风险做出评估,并指出了在不同速度下气动过载的影响。     

导弹适配器数值模拟风洞试验

为了模拟适配器与弹体分离的真实过程,以某箱式导弹垂直发射过程为背景,开展了对利用数值模拟风洞建立完备且准确的适配器气动数据库的方法的研究。仿真过程中采用批处理技术提高了计算效率。研究表明,以风速为10 m/s时得到的气动参数为基准,所有的气动参数误差均可以控制在1.5%以内,计算效率提高了50倍;通过数值模拟风洞得出的气动数据库,仿真得到的适配器脱离导弹的过程与试验结果一致。     

战斗机飞行姿态对最低安全救生高度影响的仿真研究

战斗机飞行员在飞机出现危险情况时采用火箭弹射座椅作为救生装备的主要形式,在低空不利姿态下弹射时,往往需要一定的最低安全高度来保证弹射救生的成功率,在座椅性能确定的情况下,最低安全救生高度取决于弹射时飞机的飞行姿态。为此,根据火箭弹射座椅的工作原理,针对弹射过程的不同阶段,建立相应的数学模型,用仿真计算的手段来研究不同飞行姿态对最低安全救生高度的影响,以期为飞行员如何选择正确的弹射时机提供一定的理论支撑。     

特技类飞机弹射座椅适航审定要求

介绍了美国联邦航空局和中国民航局关于特技类飞机安装弹射座椅的适航技术要求。分析了飞机应急情况救生技术的现状及其发展趋势,以及安装弹射座椅的飞机现有的适航技术要求及规定,同时对弹射座椅应用的影响因素进行了分析,并对安装弹射座椅的特技类飞机适航审定提出了一种思路和建议。     

基于混合Beta分布的火箭弹射座椅可靠性评估

建立了一种综合利用子系统试验数据和现场整机试验数据的火箭弹射座椅Bayes可靠性评估方法。该方法通过卡方拟合优度检验确定继承因子,建立混合Beta分布后,基于后验分布评估座椅可靠性。采用该方法对某火箭弹射座椅可靠性进行了评估,在置信水平0.90情况下其可靠度达到了0.924。结果表明,在相同的现场试验情况下,评估结果比经典统计方法更合理。     

战斗机弹射救生系统数值模拟研究

对弹射救生系统这种几何外形复杂、不规则非流线型钝体,以Jameson有限体积法为基础发展了一套基于高质量混合网格的Euler方程解算器,在Euler方程解算器基础上,采用S-A湍流模型发展了一套同样基于混合网格的N-S方程解算器,初步建立了适合弹射救生系统这类几何外形复杂物体的数值模拟技术平台,并采用多种加速收敛措施和合适的耗散项模型使得所发展的解算器在软件实现上鲁棒性很强。通过选取合适的计算起始迎角,对弹射救生系统成功地进行了大迎角和大侧滑角绕流计算,获得了与风洞试验比较吻合的计算结果,并且可以清楚地观察流场中马赫数分布、弹射救生系统各部位压力分布等流场细节,对弹射救生系统空气动力特性分析具有重要的指导意义。该计算平台可作为风洞试验的合理补充、加强和完善。