彈射救生系統大迎角大側滑角氣動特性工程計算方法研究

陳德華，劉大偉，黃 勇，吳文華

（1.中國空氣動力研究與發展中心空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000；2.中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000）

0 引言

目前，彈射救生系統是在戰斗機中應用最廣泛、最為可靠的一種比較安全有效的救生裝置［1－3］。迄今為止，彈射救生系統共經歷了四代的發展階段，其中第三代多態程序控制彈射救生系統已裝機服役，而第四代彈射救生系統仍在研制中。現代高性能戰斗機飛行包線范圍十分寬廣，而應急彈射救生系統工作在戰斗機的失事狀態，在較嚴重情況下，戰斗機不但處于高速、大迎角、大側滑角條件下，而且還會伴有繞三個軸高速旋轉以及縱、橫向交感運動。這導致了彈射救生系統不但面臨高速、大迎角、大側滑角運動，還會因慣性帶來各種復雜的旋轉運動［4－5］。因此，在彈射救生系統設計初期，快速獲取其大迎角大側滑角的氣動特性以及深入的氣動特性分析對高性能彈射救生系統的設計、性能預估、彈射飛行軌跡計算以及故障分析至關重要。風洞試驗技術能夠準確地獲取彈射救生系統的空氣動力學特性，但模型加工周期長，試驗技術復雜，成本高。CFD 計算作為風洞試驗技術的一個補充手段，也能獲得彈射救生系統的氣動特性，并可以刻畫流場細節，但其外形太過復雜，使得網格數量較大且生成非常困難，計算周期長。

本文通過分析彈射救生系統大迎角大側滑角氣動特性，發展了一套工程計算方法，可以快速預測彈射救生系統的大迎角大側滑角氣動特性。

1 彈射救生系統氣動特性分析

從彈射救生系統數值模擬研究結果可看出［6－7］，總體上講，其氣動特性有如下特點：一是無論氣流從哪個方向來，在彈射救生系統的迎風側主要是附著流區（即只有局部分離區），而被風側幾乎全是分離形成的尾跡區；二是彈射救生系統繞流與氣流繞過流線體的翼型或翼面狀況不同，在整個迎角和側滑角范圍氣流繞過彈射救生系統均為鈍體流動特性，從圖1 中M＝0.60的數值計算得到的縱向對稱面靜壓等值線圖可以看出，無論迎角怎么變化，在來流方向均產生正壓，且正壓大體相同，只是所作用的面積在來流方向投影的大小不同，且彈射救生系統表面Cpmin值基本相當。

圖1 縱向對稱面（zt＝0）靜壓等值線圖Fig.1 Counters of static pressure in symmetry plane（zt＝0）

從整個彈射救生系統來看，宏觀上是在順來流方向形成尾跡區。對翼型和機翼這類流線體而言，在平行于物面的來流分量和垂直于物面的來流分量的共同作用下會產生環量。而不同方向的來流分量與環量的作用會產生垂直于各來流分量的空氣動力。氣流繞過翼型和機翼時也會產生由邊界層形成的摩擦和物面的壓差而構成阻力，但阻力與升力相比是小量。相反，從宏觀上來講，整個彈射救生系統上的繞流呈現為鈍體流動特性，體軸系的三個力分量主要由來流方向的壓力差貢獻。另外，三個力分量中還包含了附著流的邊界層內形成的摩阻以及有側滑時形成的吸力（因為人體兩臂和兩腿橫截面均近似為圓形，不管處于迎風側還是背風側這些部位的繞流基本處于附著狀態）在所在軸上的分量。一般說來，相對來流方向的壓力差而言，摩阻和吸力是小量，因此，彈射救生系統體軸系的三個力分量主要由來流方向的壓力差形成。同時，三個力分量中也包含有摩阻和吸力等部分，只不過由這些力產生的分量相對來說是次要的，甚至在一些姿態可忽略。即以來流方向壓力差為主，同時還包含摩阻和吸力在oxt、oyt、ozt三個軸上投影而形成的分量（如圖2所示）就構成了彈射救生系統體軸系的三分量力（Cxt、Cyt、Czt）。一般說來，三個力分量作用點不會正好通過坐標原點，因此，三個力分量也會形成三個坐標軸的力矩。

圖2 彈射救生系統體軸系Fig.2 Body axis system of ejection escape system

2 彈射救生系統氣動特性工程計算方法

為便于開展工程分析和預估，我們定義彈射救生系統產生的平均壓力系數值為Cp，其在oyt軸上的分量為Cpy，彈射救生系統垂直于oyt軸上的最大橫截面面積為S1；壓差Cp在oxt軸上的分量為Cpx，垂直于oxt軸的最大橫截面面積為S2；壓差Cp在ozt軸上的分量為Cpz，垂直于ozt軸的最大橫截面面積為S3。計及摩阻和吸力在oyt軸上投影的分量，根據前述分析，那么本研究中法向力系數Cyt可用下式表達：

同理，軸向力系數和橫向力系數應分別為：

根據前述對彈射救生系統體軸系中三個力分量構成的分析以及數值計算結果可知，對于彈射救生系統這種鈍體外形，壓差Cp主要取決于其幾何外形和來流馬赫數M。對給定的彈射救生系統和來流馬赫數M，其Cp的量值也就基本確定了，但不同迎角α及不同側滑角β的變化對Cp也會有一定的影響。從總體上講，上述公式基本上反映了彈射救生系統三個分量力（Cxt、Cyt、Czt）的特性。

3 計算結果與試驗結果比較

為驗證本項研究建立的彈射救生系統氣動特性工程分析與預估方法的可靠性，對一類新型彈射救生系統的大迎角大側滑角氣動力特性進行了計算，并且與風洞試驗結果進行了比較。圖3至圖5分別給出了馬赫數M＝0.6、1.2，α＝0°～360°，β＝0°～100°條件下的工程估算結果與風洞試驗數據的比較。可見，估算結果與風洞試驗數據一致性良好，驗證了本項研究建立的工程預估方法的可靠性，而圖5中出現的小側滑角下橫向力系數估算值與試驗數據差異較大的原因在于，風洞試驗采用“Π”型支撐裝置，在小側滑角條件下，側支桿正好處在迎風側，引起了明顯的支撐干擾，導致橫向力試驗數據失真（如當β＝0°時，橫向力應等于0，而此時的橫向力試驗值包含明顯的支撐干擾量），在這種情況下，估算結果比試驗值更趨合理。此外，從曲線可看出，彈射救生系統的法向力特性表現為法向力系數隨迎角變化近似呈正弦曲線變化；軸向力特性表現為軸向力隨迎角變化近似呈余弦變化；橫向力特性表現為橫向力系數隨側滑角變化近似呈正弦變化。

圖3 某型戰斗機彈射救生系統軸向力系數估算值與試驗結果的比較（β＝0°）Fig.3 Comparison of axial force coefficient between prediction and experiment results（β＝0°）

圖4 某型戰斗機彈射救生系統法向力系數估算值與試驗結果的比較（β＝0°）Fig.4 Comparison of normal force coefficient between prediction and experiment results（β＝0°）

圖5 某型戰斗機彈射救生系統橫向力系數估算值與試驗結果的比較Fig.5 Comparison of side force coefficient between prediction and experiment results

4 主要結論

（1）彈射救生系統的宏觀氣動特性具有如下特點：一是不管氣流從哪個方向來，在彈射救生系統的迎風側主要是附著流區（即只有局部分離區），而背風側幾乎全是氣流分離形成的尾跡區；二是彈射救生系統繞流與氣流繞過流線體的翼型或翼面狀況不同，在整個迎角和側滑角范圍氣流繞過彈射救生系統均為鈍體流動特性。

（2）彈射救生系統的法向力特性表現為法向力系數隨迎角變化近似呈正弦曲線變化；軸向力特性表現為軸向力系數隨迎角變化近似呈余弦變化；橫向力特性表現為橫向力系數隨側滑角變化近似呈正弦變化。

（3）利用本項研究建立的工程預估方法可以對彈射救生系統氣動特性進行有效的預估，對彈射救生系統的早期設計和優化具有重要的指導意義。該工程預估方法可供其它不規則、類鈍頭體構型氣動預估時借鑒。

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［7］陳德華，吳文華，王晉軍.戰斗機彈射救生系統數值模擬研究［J］.航空學報，2006，27（5）：778－783.