兩級彈射筒與三級彈射筒座椅性能的對比分析

馮星 譚率

摘要：彈射筒作為火箭彈射座椅的一級動力，其作用是為人-椅系統彈射出艙提供一定初速。原三級彈射取消一段中筒后變為兩級彈射筒，其彈射行程變短、出艙初速降低、出艙時間縮短，這些對座椅的彈射出艙性能以及彈射性能產生一定影響。本文對三級彈射筒和兩級彈射筒從出艙受載、出艙姿態、總壓信號采集、救生性能等方面特點進行了對比分析。通過試驗數據和仿真結果的綜合分析，認為采用兩級彈射筒，座椅在出艙受載、出艙姿態等方面較三級彈射筒座椅得到了一定改善。

關鍵詞：彈射筒;火箭彈射座椅;彈射出艙，救生性能;最低安全高度

中圖分類號：V244.21+2 文獻標識碼：A

彈射座椅是乘員應急離機的保障裝置，被譽為藍天上的“生命之舟”。座椅的彈射動力發展到現在普遍采用彈射筒和火箭包組合方式，彈射筒為伸縮式套筒結構，套筒數量經歷了單級、兩級、三級、四級。目前國外主流彈射座椅有：英國NM-16系列座椅、美國S4S座椅以及俄羅斯的K-36系列座椅的彈射筒均為兩級，而國內現役座椅彈射筒多采用三級。本文針對國內彈射座椅的三級彈射筒和兩級彈射筒技術特點，就彈射出艙過程和彈射性能進行對比分析，為彈射座椅一級動力的參數設計提供經驗數據和分析方法。

1 彈射筒主要性能對比

相比三級彈射筒，兩級彈射筒脫離行程、彈射初速、工作時間均變小，兩者主要技術性能對比見表10數據表明：兩級彈射筒較三級彈射筒在行程縮短580mm;彈射初速下降2.5m/s;工作時間縮短約0.06s。

在高溫85℃、彈射質量225kg和低溫-55℃、彈射質量205kg條件下，彈射筒的過載曲線如圖1、圖2[1]所示，從曲線可以發現：兩級彈射筒相比三級彈射筒，過載增長率、過載峰值基本保持一致，峰值維持時間上有所減小，因此作用在乘員身上的過載，兩級彈射筒座椅會低于三級彈射筒座椅。

2 出艙性能影響分析

2.1 出艙載荷

座椅啟動彈射后，在一級動力彈射筒的作用下，座椅會沿彈射軸線彈射出艙，彈射出艙過程受人-椅系統重力和氣動力作用，內外套筒之間會產生一定的彎矩。以兩級套筒結構為例，隨著彈射行程增加，跟人-椅系統一起運動的內筒與固連座艙的外形成一個“懸臂”，如圖3所示。高速彈射時，氣動載荷（F）會使人-椅系統產生“抬頭”力矩，即內筒與外筒之間產生一個逆時針的彎矩;同時內筒與外筒之間產生一個彎曲角度j。假設整個人-椅系統處于靜態狀態下，彎曲角Φ有以下關系：式中：f為彈射筒末端彎曲度;l為彈射筒總長;l₁為彈射筒下支點到脫離面長度;l₂=l-l₁。

當表速大于850km/h時，在氣動載荷作用下，彎曲角Φ≈20°～25°。考慮到座椅的安裝角17°或者22°，因此內外筒脫離時座椅彈射軸線與鉛垂線的角度可達45°，而三級彈射筒由于彈射行程較大，彎曲角度Φ也更大。這不僅對彈射筒的結構強度設計提出了更高的設計要求，同時對座椅的性能也產生重要影響，主要體現在：

（1）內外筒脫離時彈射軸線與鉛垂線的角度增大，會使一級動力產生的速度向上分離減小，這將對人-椅系統越過飛機垂尾產生不利影響;

（2）彈射筒脫離時，由于產生的彎曲濺Φ，將使座椅進入氣流時的俯仰角增大，此種情況下，氣動載荷作用方向將不是作用在人體耐受能力較強的“胸-背”方向。

2.2 出艙姿態

為保證座椅沿彈射軸線順利出艙，一般在彈射筒外筒安裝了4對滑塊或者滑輪，在座椅骨架內設計有滑槽進行導向，通過滑塊與滑槽的配合約束，使座椅只能沿彈射軸方向有自由度，其他方向均無自由度。而座椅滑塊與滑軌配合時最大行程為1090mm，當座椅出艙行程超過1090mm后，滑塊與滑槽脫離（圖4所示位置），此時人-椅系統能夠繞彈射軸線轉動，這個轉動可能帶來不利影響。

由于人-椅系統在縱平面（XOY面）不是完全對稱，在氣動作用下產生一定側向力。根據座椅高速風洞試驗數據[2]，側向力系數曲線與側滑角關系如圖5所示，曲線表明：0°～60°范圍內側向力系數隨側滑角增大而增大，即座椅出現偏航氣動擾動時，在側向力作用下座椅側滑角會增大。因此三級彈射筒的行程在1090～1660mm時，人-椅系統會繞著彈射軸線轉動，其作用效果是人-椅系統與座艙脫離后，產生較大偏航角和偏航角速率。

以某三級彈射筒座椅的1發地面1100km/h彈射試驗為例，通過間隔60ms截取了座椅出艙時的三張高速錄像圖片，如圖6[3]所示，從第一張照片至第三張照片，時間間隔120ms，而座椅的偏航角超過90°，平均偏航角速率達681（°）/s。

兩級彈射筒內外筒脫離行程1080mm，此時座椅滑軌與彈射筒滑塊未脫離，對偏航方向還有約束作用，因此在人-椅系統與座艙脫離時，不會產生較大偏航角速率。同樣以某兩級彈射筒座椅地面1100km/s彈射試驗出艙過程為例，間隔60ms截取三張高速錄像如圖7[4]所示，結果顯示座椅在偏航方向上的轉動很小，高速錄像判斷座椅偏航角速率小于110（°）/s，座椅出艙后“立姿”效果明顯，符合GJB4049-2000《飛機應急離機系統通用規范》[5]中規定的生理耐限極限。

2.3 總靜壓信號采集

座椅出艙時的表速通常是根據程控器采集總壓和靜壓計算得出。總壓感受依靠傘箱兩側風速管，靜壓感受座椅椅背處程控器靜壓感受窗口，靜壓感受窗口處于座椅尾流區，因此感受的靜壓比實際值偏低，解決的方法是根據感受的總壓對靜壓進行修正。因此要求座椅在出艙時能采集較為準確的總壓信號[6]。兩級彈射筒縮短了彈射行程，對總壓采集產生影響，通過CFD軟件數值仿真計算了1100km/h速度時，兩種彈射筒在不同行程時采集的總壓和靜壓值，仿真結果數據見表2[7]，結果表明：兩種座椅出艙時的流場特性相似;風速管處的總壓和程控器靜壓窗感受的靜壓差別很小。