弹射座椅动态舒适性与人椅动力学特性研究

动态乘坐舒适性一直是座椅舒适性的研究难点和重点之一,为了研究弹射座椅的动态乘坐舒适性,建立了九自由度的人-椅系统动力学模型,并分别进行了人体模型的模态和人椅模型的动态响应计算机仿真与分析,研究了座椅动态特性参数变化对人体振动响应的影响,为弹射座椅动态舒适性的评估和防护方法研究奠定了基础.      

弹射座椅的静态舒适性仿真

针对弹射座椅舒适性存在的不足,基于Poser软件,首先以中国男性飞行员尺寸为依据,建立了三维静态人体模型,保证了人体主要部位尺寸的准确性;然后把AutoCAD中的弹射座椅导入3Dmax软件中,结合飞机座舱的几何尺寸及各操纵机构的几何尺寸,建立弹射座椅-座舱操纵机构模型.最后把该模型导入Poser 软件中,利用人机工效学的相关理论,建立弹射座椅-飞行员-座舱操纵机构系统平台模型.在系统平台中对飞行员进行操纵仿真和分析,讨论了影响弹射座椅舒适性的因素并提出了优化设计方法.由于系统平台中参数的准确性和可调节性,提高了弹射座椅舒适性研究的标准化和通用化程度.      

弹射座椅不利姿态控制规律设计

弹射座椅在低空不利姿态下的弹射救生性能是第四代弹射座椅的关键技术,而控制规律算法设计则是姿态轨迹控制的核心问题。提出了一种全新的控制规律设计方法,通过建立弹射全过程的轨迹姿态仿真模型、设计控制参数寻优计算模型,得到离散化的最优控制参数集。利用基于误差逆向传播(BP)算法的多层前馈神经网络模型,获得弹射状态全区间范围内的连续性控制规律算法。以单滚转不利姿态为例,进行了控制规律算法的设计验证。结果表明,采用本文控制规律算法后,弹射座椅在最低安全救生高度性能指标上远远优于多模态控制规律、美俄联合研制的K36Л-3.5型座椅,并基本满足国军际的性能要求。设计方案简单明确,结果算法逼近理论最优值,可以为第四代弹射座椅控制规律设计提供一定的参考意义。      

航天飞机救生系统研制现状

自从挑战者号航天飞机失事之后,NASA一直在研制航天飞机救生系统,其中包括:地面应急出口、手动和动力牵引跳伞、动力推动的紧急中断飞行任务的飞行器、水上降落装置及各种弹射座椅和弹射救生囊系统。关于弹射座椅目前有三种研制方案: 1.麦道公司研制的ACESⅡ型。这种座椅还有三种不同结构:一种是采用中央D形拉环弹射,其是配备在F-16飞机上的;另一种是用     

航空座椅适坠性评估与分析方法

为了研究某航空座椅在坠撞环境下的结构响应特性,针对座椅和假人耦合系统,提出了航空座椅适坠性评估与分析方法。首先根据航空座椅结构特点,提出了合理的模型简化方法,建立了座椅的有限元模型,并将有限元模型和50分位Hybrid Ⅲ型多刚体假人模型耦合。然后按照适航条例规定的通用飞机乘员座椅动态试验方法和资格要求对此乘员座椅系统进行了适坠性仿真分析,在仿真中考虑了客舱地板变形的影响,得到了典型冲击载荷下座椅各部件的变形方式和能量吸收情况,以及假人的各项伤害指标。分析结果表明:在水平冲击环境下,乘员座椅系统受到的损伤更严重;过于刚硬的靠背调节机构会加大椅管梁前端的塑性变形;客舱地板变形加剧了座椅结构破坏,相对于俯仰变形,客舱地板滚转变形造成的破坏更大。为了提高适坠性能,提出了座椅结构的设计改进方案。      

人体上肢多体系统动力学模型

在弹射过程中，当敞开的弹射座椅进入气流中时，会造成人体各部位的损伤，特别是会造成肢体的骨骼或肌肉损伤－－甩打伤。为设计飞行员的保护装置，对肢体的动态响应，如角速度、运动轨迹等进行了研究。介绍计算人体上肢动态响应的多体系统动力学模型，包括两种初始姿态（握扶手和握中央环）下弹射的情况，结果表明双手握中央环弹射比双手握扶手弹射安全。     

四元数在弹射座椅性能仿真中的应用

针对弹射座椅性能仿真中欧拉角速率方程在大幅度姿态运动时存在奇异性,以及四元数法由于姿态角的有界性而出现跳跃、难以实现全姿态角的问题,提出了四元数与欧拉角相结合的方法.阐述了四元数的定义、几何意义及四元数表示的运动学方程.通过四元数到欧拉角的转换,给出了仿真中四元数的积分初值计算公式;分析了弹射仿真中姿态角的跳跃和间断问题.以某型号座椅为例进行了仿真计算,通过对比仿真结果和试验数据,确认了仿真的有效性;与采用单一四元数法的仿真结果进行对比表明,该方法充分结合了四元数与欧拉角速率方程的优点,有效解决了欧拉角速率方程的奇异性和弹射仿真中全姿态角的实现.      

缓冲座椅系统着陆冲击响应的研究与分析

根据返回舱着陆过程中的特点、等效的着陆冲击加速度和缓冲机构的工作原理,建立了缓冲座椅系统的动力学模型。然后给出了座椅上任意点动力响应的计算方法,数值算例验证了缓冲座椅系统建模、计算的正确性。最后分析了着陆速度、输入冲击波形、座椅上测点位置和缓冲机构力学特性不同因素对航天员胸背向、头盆向加速度、座椅缓冲行程的影响及其原因,为提高缓冲座椅的工作性能提供了参考。     

飞行员头盔夜视镜系统气流吹袭性能研究

开展飞行员头盔夜视镜系统的高速气流吹袭试验，研究其气动特性和作用在人体颈椎上的力，评价其对弹射救生安全性的影响，为头盔夜视镜系统的设计和使用提供依据。采用高速气流吹袭台（敞开式风洞）吹袭的试验方法，将弹射座椅固定在吹袭台喷口前的台架上，试验假人（HYBRID Ⅱ型假人）端正地放置在弹射座椅上，试验假人穿抗荷服，佩戴头盔、夜视镜、供氧面罩。以850 km/h的吹袭速度作为试验的起点，按照试验设计确定的原则依次调整吹袭速度。夜视镜分下位（工作）和上位（非工作）2个状态进行试验，用高速摄像机记录头盔夜视镜在吹袭时的佩戴状态，测量试验假人颈椎下端的力和力矩。高速摄像机、力和力矩测量系统用高速气流吹袭台设定的时间基准同步测量。共进行了10发试验，其中5发试验夜视镜从头盔上吹脱，5发未吹脱；获得了各次试验中假人颈椎的受力曲线及夜视镜吹脱的时刻和轨迹。按照试验合格判据，吹袭速度均未超过850 km/h。头盔加装夜视镜后，相比头盔不加装夜视镜，气流吹袭性能下降，吹袭速度800 km/h以上颈椎力矩超标，700 km/h为临界点，600 km/h合格。建议将头盔夜视镜系统的气流吹袭性能包线限制在600 km/h以内。      

电缆长度辅助的光纤陀螺测斜仪组合测量方法

为实现光纤陀螺(FOG)测斜仪高精度长时间测量,结合测井作业方式,提出基于卡尔曼滤波技术的电缆长度信息辅助的组合测量方法.介绍了捷联惯性测量系统(ISS)误差模型和电缆长度测量模型,设计了组合测量方法的总体方案,建立了组合测量系统误差状态模型及量测更新模型.采用半实物仿真计算对本文提出的组合测量方法进行了验证.仿真结果表明:14 400 s的仿真过程,井斜角误差小于0.02°,工具面角误差小于0.12°,方位角误差小于0.98°,位置误差小于47.5 m.相比纯惯性测量,误差得到了有效的抑制,保证了仪器长时间保精度的测量,提高了仪器的性能.      

面向重心变化的自适应飞行控制系统设计

重心的变化直接影响飞机本身的控制特性,使得控制系统设计更为复杂.针对已有方法模型依赖性强、鲁棒性差的局限性,提出了一种面向重心变化的非线性自适应飞行控制系统设计方法.该方法基于逆动力学理论和重心在线估计系统设计标称控制律,在此基础上引入自适应滑模控制单元来构建自适应补偿控制律,其中滑模控制用于保证控制的鲁棒性和稳定性,而自适应单元则通过对模型不确定性和重心估计误差的估计及补偿提高控制的适应性和控制性能.结合Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:该方法能有效地实现对系统未知不确定因素的补偿,具有较强的鲁棒性.     

Generation of vertical–horizontal and horizontal–horizontal gravity gradients using stochastically modified integral estimators

The Earth’s gravity field modelling is an ill-posed problem having a sensitive solution to the error of data. Satellite gravity gradiometry (SGG) is a space technique to measure the second-order derivatives of geopotential for modelling this field, but the measurements should be validated prior to use. The existing terrestrial gravity anomalies and Earth gravity models can be used for this purpose. In this paper, the second-order vertical–horizontal (VH) and horizontal–horizontal (HH) derivatives of the extended Stokes formula in the local north-oriented frame are modified using biased, unbiased and optimum types of least-squares modification. These modified integral estimators are used to generate the VH and HH gradients at 250 km level for validation purpose of the SGG data. It is shown that, unlike the integral estimator for generating the second-order radial derivative of geopotential, the system of equations from which the modification parameters are obtained is unstable for all types of modification, with large cap size and high degree, and regularization is strongly required for solving the system. Numerical studies in Fennoscandia show that the SGG data can be estimated with an accuracy of 1 mE using an integral estimator modified by a biased type least-squares modification. In this case an integration cap size of 2.5° and a degree of modification of 100 for integrating 30′ × 30′ gravity anomalies are required.     

Graviresponses of osteocytes under altered gravity

Single cell was capable of sensing and responding to alterations of gravity. Osteocytes, as the most abundant cells of the bone tissue playing an important role in the bone mechanotransduction, are very sensitive to mechanical stimuli. However, the effect of altered gravity on osteocytes so far is less known according to the public papers. Further study on this issue will help to verify and develop the theory of how cells perceive and respond to gravity. It also brings new ideas to the study of space bone loss. In our study, Osteocyte-like MLO-Y4 cells were exposed to 30 parabolic flights three times on ZERO-G airbus A300 to investigate the comprehensive effect on osteocytes stimulated by hyper- and hypo-gravity forces. It showed that the cell morphology, as well as cell area and height, was not changed significantly by hyper-gravity and hypo-gravity. However, the cytoskeleton was reorganized. In flight cells, F-actin polymerization was enhanced at the cell periphery and microtubule organizing center disappeared, but no apoptotic feathers were detected. The results of western blot showed that connexin 43 (Cx43) expression was down-regulated, indicating an decrease of gap-junction. In conclusion, hyper- and hypo-gravity stimulation altered the cytoskeleton architecture and suppressed gap-junction of osteocyte-like MLO-Y4 cells.     

陀螺仪运动的复杂性

建立了外环轴水平放置的重力对称陀螺仪的运动方程.并将陀螺仪转子的质心位置作为扰动, 在一定条件下, 首先研究了自由陀螺仪的运动, 并给出力学意义解释; 然后利用Melnikov方法和KAM理论研究了非自由陀螺仪的运动.研究结果表明: 在陀螺仪转子的质心与支架中心不重合且充分接近, 或陀螺仪能量充分大时, 陀螺仪的运动出现Smale马蹄意义下的混沌; 同时它的Hamiltonian流存在KAM不变环面和不变闭曲线.      

利用并联氙气瓶温差补偿航天器质心偏移的可行性研究

在以往航天器研制中,一般通过增加配重的方式对航天器质心偏移进行补偿.这种质心补偿方式占用了运载火箭承载能力资源,降低了航天器的有效承载能力.针对常规质心补偿方式的弱点,利用电推进航天器上氙气高密度填充的特点,提出了一种通过氙气瓶温度控制对航天器质心偏移进行补偿的方法,减少了航天器配重的使用需求.氙气瓶温差对航天器质心偏...     

基于逆动力学和重心估计的飞行控制系统设计

飞机飞行中重心的变化直接影响飞机本身的控制特性,使得控制系统设计更为复杂.提出了一种基于逆动力学和重心估计的飞行控制方法,首先建立了考虑重心偏移的飞机六自由度动力学模型,由此模型推导得到了其逆特性的解析形式,并采用基于重量分布的重心估计系统在线提供重心信息.仿真结果表明,该方法有效地利用了重心在线估计信息,能适应飞机在不同重心时运动特性的变化,具有良好的控制效果,且设计过程简洁,易于实现.     

微重力燃烧实验火焰结构显示和全场温度测量的原理样机

用于空间燃烧实验的设备要求轻重量、小尺寸和多功能. 将纹影法、彩虹纹影偏折法与差分干涉法相结合, 研制了可用于火焰结构显示和全场温度测量的原理样机. 该原理样机具有重量轻、尺寸小、模块化和多功能等特点. 通过微重力落塔实验, 检验了利用纹影法测量火焰结构的功能, 同时在常重力条件下检验了利用彩虹纹影偏折法和差分干涉法测量火焰全场温度的功能. 结果表明, 火焰结构分辨率不低于1mm, 火焰温度测量结果精确, 相对误差小于2%. 该原理样机将提升空间燃烧的观察方法, 有助于未来空间燃烧实验的开展.      

机载UMS分布式容错计算机系统设计

综合控制管理是机载机电设备发展的趋势.针对航空机电设备综合控制管理预研项目,利用分布式容错技术、高可靠航空电子总线技术和嵌入式实时多任务操作系统应用技术,设计并实现了一个分布式容错计算机系统.讨论了系统的工作特点、系统结构、通信网络、冗余管理和实时容错分布执行软件.      

面向对象的飞机概念设计系统中的重心估算

为了在飞机概念设计阶段有效而便捷地评估方案重量和静稳定裕度等特性,研究了在一个按照面向对象方式进行数据组织的计算机辅助飞机概念设计系统中进行重心及相应重量估算的措施.着重论述了重心估算部分的面向对象结构和采用的方法,尤其是根据相关部件的设计与造型特点估算燃油及起落架重心的方法.通过在设计方案的动态调整过程中估算其重量和重心,验证了该部分的适应性和可靠性,以及设计者交互地对估算的方法和结果加以控制的灵活性.