密閉式彈射座椅穩定減速技術研究

羅經緯 馮光輝 張大林 陳維健

摘要：建立了適用于臨近空間條件下的密閉式彈射座椅模型，采用計算流體力學（CFD）方法研究了座椅的外流場。根據外流場研究結果設計了兩種可能的穩定減速方案，通過比較氣動特性，選取了較優的穩定減速方案。最后，通過性能計算方法研究了座椅出艙后的運動情況，對穩定減速方案的參數進行了優化。

關鍵詞：密閉式彈射座椅;臨近空間，穩定減速技術;CFD仿真

中圖分類號：V244.21+2 文獻標識碼：A

臨近空間涵蓋距離地面20～100km的空域[1]，介于傳統的航空與航天活動范圍的中間。處于該區域的飛行器向上可攻擊在軌飛行的衛星，下可攻擊地面目標和傳統的航空器，常規導彈武器卻難以對高超聲速巡航的臨近空間飛行器構成威脅。臨近空間飛行器正成為各國爭相研究的熱點，而臨近空間飛行器同樣面臨乘員救生問題。

目前敞開式彈射座椅的救生包線為高度0～30km，馬赫數不大于3，仍無法解決30km以上的救生問題[2]。考慮到臨近空間的大馬赫數下的氣動熱效應，密閉式彈射座椅是臨近空間條件下救生問題的可能解決方案之一。

穩定減速是救生系統要解決的基本問題：

（1）受救生傘性能限制，救生傘必須在一定的速度范圍內才能開傘，因此，救生裝置出艙后，必須經歷一個減速過程，以減速至允許開傘的速度范圍內。

（2）受人體生理耐限限制，在開傘前的運動過程中，人-椅系統的角度和角速度必須保持在一定范圍內，以免超出人體生理耐限，對人體造成損傷。

（3）救生傘射出瞬間，人-椅系統必須保持良好的姿態，以免人、椅、傘三者發生干擾，影響救生。

彈射座椅的穩定性主要是指穩定減速的過程中，彈射座椅的姿態角和角速度保持在可接受的范圍內。減速性能指的是彈射座椅從彈射出艙減速至開傘速度的時間。減速性能主要取決于彈射座椅的阻力特征。目前，臨近空間飛行器和相關的救生技術在國內尚處于理論研究階段。采用仿真建模與分析的方法，對密閉式彈射座椅的穩定減速方案開展研究，分析密閉式彈射座椅的外流場分布情況和出艙后的運動特點，可對未來的工程設計提供參考。

1 密閉式彈射座椅模型構建

密閉式彈射座椅的研究最早始于20世紀50-60年代中期。最典型的是美國斯坦利公司為B-58飛機配套研制的密閉式彈射座椅。該座椅上安裝了一個類似于蛋殼的密閉門，其外形如圖1所示。

以國外密閉式彈射座椅的外形為參考，在國內現有的敞開式彈射座椅的設計尺寸的基礎上，綜合考慮密閉門的工作方式和乘員活動空間，可以得出可行的密閉式彈射座椅側面輪廓，如圖2所示。側面輪廓確定后，可完成密閉式彈射座椅三維模型的構建。

2 密閉式彈射座椅外流場計算

在彈射座椅的設計中，氣動特性分析是氣動設計部分的重要內容。我國獲得彈射座椅氣動數據的主要手段為風洞試驗。隨著計算流體力學（CFD）技術的發展，國外較早地將數值模擬的方法運用到座椅的氣動計算中。Caruso等[3]研究了二維薄層N-S方程數值方法，對人-椅系統在跨超聲速時氣動特性進行了分析，驗證了計算方法的可行性;Habchi等[4]用N-S方程研究了三維人-椅系統的數值模擬，計算結果與風洞數值結果吻合較好;Habchi等[5]對人-椅系統非定常問題做了數值模擬。國內近幾年在彈射座椅數值計算方面也取得了一些進展。宋寶銀等[6]利用CFD數值方法模擬了國內某型號座椅在不同馬赫數下、迎角0°～60°、偏轉角0°～30°時人椅系統流場繞流情況及壓力分布;魏濤等[7]利用基于S-A湍流模型的DES方法對彈射救生中高速氣流吹襲防護裝置對人-椅系統氣動特性的影響進行了數值模擬;郁嘉等[8]采用CFD軟件對彈射座椅外流場進行數值計算，將氣動參數與風洞試驗數據對比，吻合較好。國內外的研究進展已經充分證明了CFD技術在彈身i座椅氣動特N鈿鈿研究中的可行性。

密閉式座椅系統氣流吹襲流場的數值模擬為典型的外流問題，其計算的基本力祛是：以N-S方程為基礎，用一組非線性方程組來描述流場的一些物理參數，并進行空間和時間上的離散，通過求解各離散點上的具體物理參數的值來得到最終結果。

通過外流場計算，得到了高度30km、來流速度Ma4.0，19種迎角下密閉式彈射座椅的外流場速度和壓力情況，并對給定的重心位置進行了氣動力矩計算。計算結果的數據量很大。為了節省篇幅，在此僅選擇迎角為0°的結果進行說明。

圖3為模型表面的壓力分布情況，圖4為X軸切面的速度分布情況，圖5為Z軸截面的速度分布情況。

可以看出，座椅前部形成了弓形激波，由于氣流的滯止和激波的影響，圍繞座椅形成了一層高壓區域。座椅后部由于氣流分離的影響，形成了低壓區域，而后壓力逐步恢復，尾流區域在Z截面呈現燕尾形狀。為獲得較大的穩定力矩，穩定減速方案設計時，應盡量避開該燕尾區域。

為進一步研究密閉式彈射座椅的穩定特性，繪制了俯仰力矩系數隨迎角的變化情況，如圖6所示。

由圖6可知，在無穩定減速裝置時，密閉式彈射座椅僅在負迎角時具有靜穩定性，需要通過設計穩定減速裝置來提升靜穩定性。

3 穩定減速方案設計與選型

目前敞開式彈射座椅的穩定減速方案主要有三種：穩定傘、穩定板和穩定桿[9]。

由于高馬赫數下長時間的氣動加熱將會導致穩定傘材料強度削弱甚至損壞，喪失工作性能。目前已獲得成功的減速邊界是20km、馬赫數2.45[10]。結合密閉式彈射座椅的工作環境和穩定減速需求來看，應選擇剛性的穩定減速方案。因此，初步選擇穩定板方案和穩定桿方案的結構形式。

考慮外流場分布情況，經過初步計算，設計了穩定板（如圖7所示）和穩定桿兩種穩定減速裝置（如圖8所示）。

穩定板位于密閉式彈射座椅后上方，平時處于折疊狀態，在彈射出艙后展開。穩定桿裝置為多級套筒式結構，平時收起，工作時射出。穩定桿末端裝有兩具小穩定傘，平時壓人穩定桿套筒中，工作時射出并開傘。在剛性方案中，柔性穩定傘可以用剛性的轉子替代，以提供相應的阻力特征。

為比較兩種穩定減速裝置的氣動性能，計算了穩定板和穩定桿兩種方案的俯仰力矩系數隨迎角的變化情況，如圖9和圖10所示。

從圖9中可以看出，增加穩定板裝置后，密閉式彈射座椅的靜穩定性并無明顯提升，而增加穩定桿裝置后，密閉式彈射座椅的靜穩定性有了很大的提高。穩定桿裝置中，起主要作用的是穩定桿末端的穩定傘。

由此，選擇穩定桿裝置作為密閉式彈射座椅的穩定減速方案。

4 穩定減速方案優化

選定了穩定桿裝置作為密閉式彈射座椅的穩定減速方案后，進一步開展了優化研究。

首先選取了優化參數。考慮到穩定桿裝置中起主要作用的是穩定桿末端的穩定傘，因此選取了單個穩定傘的阻力特征作為一個優化參數。此外，從座椅的總體設計角度，選取了重心位置作為了另一個優化參數。

為研究穩定傘阻力特征和座椅重心位置對穩定減速性能的影響，首先進行了受力分析，得出了以下結論：（1）重心位置上下移動不能改善座椅的穩定性;（2）重心位置越靠前，穩定性越好;（3）穩定桿末端的穩定傘的阻力越大，座椅穩定性越好;（4）穩定桿末端的穩定傘的阻力特征越大，減速時間越短。

為了對以上結論進行驗證，采用了六自由度性能計算的方法，研究了座椅從彈射出艙到救生傘開傘之間的運動過程，繪制了不同參數下座椅俯仰角和俯仰角速度的變化曲線，如圖11～圖14所示。

其中模型A為基準狀態，模型B為重心位置上移200mm的狀態，模型C為重心位置前移200mm的狀態，模型E為阻力特征增加2倍后的狀態。

從俯仰角隨時間的變化曲線中可以看出，重心位置上移200mm后，穩定性有明顯降低;重心位置前移200mm后，穩定性有明顯提升;阻力特征增大兩倍后，穩定性有一定提升，同時減速時間有了明顯縮短。這與受力分析得出的結論是一致的。

5 結論

通過密閉式彈射座椅模型構建、外流場計算、穩定減速方案設計與選型、穩定減速方案優化等研究，可以得出以下結論：

（1）穩定桿裝置可以應用于臨近空間環境下的密閉式彈射座椅，其能夠有效提高座椅的穩定性。

（2）增大穩定桿末端穩定傘的阻力特征和將座椅重心位置前移是提高穩定桿方案的穩定減速性能的有效途徑。

由于研究條件限制，本研究未考慮氣動熱效應的影響。高空大馬赫數下氣動熱效應明顯，未來可開展氣動熱效應對穩定減速性能影響的進一步研究。

參考文獻

[1]李怡勇，李智，沈懷榮.臨近空間飛行器發展與應用分析[J].裝備指揮技術學院學報，2008，19（2）：61-65.

[2]李銳.航空救生裝備的發展[J]_航空科學技術，1995，19（1）：20-23.

[3]Caruso S C， Mendenhall M R.Computational analysis ofhighspeed ejection seats[R].AAA-92-0403，1990.

[4]Habchi S D，Przekwas A J.CFD analysis of ejection seat escapesystems [R].SAE-921924，1992.

[5]Habchi S D，Hufford G S.Transient simulation of turbulent flowover blunt bodies[R].AIAA-95-1837，1995.

[6]宋保銀，張中鋼，牟杰.人椅系統繞流流場的數值模擬[J].航空動力學報，2008，23（10）：1859-1867.

[7]魏濤，張大林.彈射救生高速氣流吹襲防護氣動特性數值模擬[J].應用力學學報，2009，26（4）：767-770.

[8]郁嘉，林貴平.彈射座椅氣動參數的數值計算[J].中國工程科學，2007，9（6）：53-57.

[9]王利榮.降落傘理論與應用[M].北京：宇航出版社，1997.

[10]雷森.火箭彈射座椅高速穩定系統選型研究[D].西安：西北工業大學，2007.