火箭弹射座椅运动稳定性能数值仿真研究

摘 要：稳定性是火箭弹射座椅的一项重要性能指标，对座椅进行稳定性分析是座椅研制过程中

的重要工作。本文以火箭弹射座椅为研究对象，采用六自由度性能仿真方法对火箭弹射座椅的运动性能进行研究，以三向角速度为指标对座椅稳定性进行评估分析，客观分析了弹射座椅的稳定性能。

关键词：火箭弹射座椅 稳定性 数值仿真 研究

中图分类号：V445 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（a）-0000-00

1 引言

弹射座椅的稳定性对飞机弹射救生安全具有十分重要的意义，弹射座椅的稳定性，是其能否达到安全救生的重要因素。由于弹射座椅的外形不规则，呈钝头形，人-椅系统在与飞机分离后，受气动力的作用，人-椅系统运动将更不稳定。人椅系统的不稳定运动将引起一系列的严重后果，轨迹降低，局部过载增大，旋转直接损伤人体以及人椅分离时救生伞发生缠绕等。因此，不稳定的弹射座椅不能保证安全救生。本文通过建立弹射座椅六自由度仿真软件，对火箭弹射座椅的运动稳定性能进行数值仿真研究，以三向角速度为指标对火箭弹射座椅稳定性能进行评估分析。

2 数学模型

对弹射座椅运动稳定性能进行数值仿真研究，必须首先建立弹射座椅在自由飞阶段（人-椅系统脱离飞机座舱的弹射导轨开始至人椅分离系统工作、射出救生伞为止）的六自由度数学模型。在自由飞阶段，弹射座椅运动主要受到火箭包推力、气动力、重力的影响，本文通过结合座椅基本参数、弹道运动理论基础，建立了座椅动力学、运动学方程，编制了弹射座椅运动稳定性能数值仿真软件，对弹射座椅进行运动稳定性能数值仿真研究。

2.1 动力学方程

式中： 为广义欧拉角（俯仰、滚转 、偏航）， 分别为弹射座椅姿态火箭推力、主火箭推力、偏心距。Q、P、R分别为三个方向的气动力， 、 、 分别为三个方向气动力矩。

2.2 运动学方程

要确立人-椅系统在空间的姿态，就需要建立人-椅系统在地面坐标系下的运动学方程，描述人-椅系统相对地面的坐标变化和姿态变化，即建立姿态角 对时间的导数和转动角速度 之间的关系。根据体轴坐标系和地面坐标系之间的变换关系，可以知道弹射座椅相对于地面坐标系的旋转角速度 实际上是按照偏航角 、俯仰角 和滚转角 的顺序，经三次旋转的转动角速度的矢量合成，这三次转动的角速度在体轴系中的分量分别是：

， ，

经变换后得：

人-椅系统在体轴坐标系下的速度方程经坐标变换即可得到在地面坐标系下的速度方程，即：

将上述两式展开，可以得到人-椅系统质心转动和质心位移的运动学方程，其一般形式如下：

3 数值仿真

根据座椅实际及仿真分析需要，本次仿真工况为不同百分位数飞行员与座椅组合的人-椅系统在飞机平飞时（横滚角、俯仰角、偏航角均为0）在不同速度下自由飞过程中的人-椅系统的三向角速度。飞机弹射时表速按0、250km/h、450km/h、650km/h、850km/h、1100km/h进行。在本次仿真中，角速度是随时间变化的过程量，若将每一种仿真工况的三向角速度变化过程数据全部显示，数据量将特别庞大，而且也非必需。座椅稳定性考核的主要是运动角速度的最大值，因此本次仿真计算结果中只列出三向角速度的最大值，仿真结果如表1所示。

表1 各工况下人椅系统三向角速度最大值

速度

km/h 弹射

重量 最大角速度（ °/s）

横滚 偏航 俯仰

0 大 1.0 3.5 337.8

中 0.8 3.1 425.2

小 0.8 3.3 527.5

250 大 -3.1 -7.7 272.6

中 -3.1 -8.8 325.2

小 -3.3 -9.6 385.9

450 大 -5.8 21.1 191.5

中 6.4 21.4 217.9

小 7.4 21.2 250.0

650 大 -17.9 29.2 163.0

中 -23.0 31.9 180.5

小 -29.1 33.8 203.9

850 大 -25.3 22.4 246.8

中 -26.5 26.6 256.5

小 -29.1 35.7 275.7

1100 大 -19.0 11.3 303.7

中 -24.1 11.7 314.8

小 -33.7 14.1 335.3

4 仿真结果分析

（1）弹射座椅运动的横滚角速度和偏航角速度值均不大，仅俯仰角速度值较大。这可从座椅的结构和动力配置中得到解释。在座椅自由飞阶段，由于火箭包推力关于纵向对称面对称，除了气动外形不对称导致气动力产生横滚力矩或偏航力矩外，没有其它力能使座椅产生横滚或偏航运动，而由于气动外形不对称导致的气动力产生的横滚力矩或偏航力矩并不大，因此使座椅运动过程中的横滚角速度和偏航角速度值不大。（2）弹射座椅俯仰角速度与弹射重量成反比。弹射重量越大，俯仰角速度越小，反之亦然。即对俯仰角速度而言，小重量是最危险状态。其主要原因是由于不同百分比重量的人-椅系统其偏心距不同造成的，实际上俯仰角速度对弹射重量并不敏感，单纯弹射重量的变化并不会造成俯仰角速度的较大变化。俯仰角速度敏感的是弹射重量背后的偏心距，在数值仿真过程中，对大重量进行仿真时对应的是小偏心距，而对小重量进行仿真时对应的是大偏心距。（3）随着弹射速度的增加，座椅俯仰运动的角速度并不呈现单一的增减规律。在0～650km/h范围内，弹射速度的增加会使俯仰运动的角速度极值减小；在850km/h以上范围内，弹射速度的增加会使俯仰运动的角速度极值增加。这样的现象是由座椅的动力配置和气动特征决定的。对火箭弹射座椅来讲，火箭动力提供座椅抬头运动力矩，这是显而易见的，而气动力则提供座椅低头运动力矩。

参考文献

[1] 翟志强，蔡瑞娇. 火箭弹射座椅弹射动力系统内弹道模型建立与计算， 含能材料，2006，3 [2] 董海平， 蔡瑞娇. 火箭弹射座椅Bayes可靠性评估方法， 北京理工大学学报，2007，8

[3] 马登武. 火箭弹射座椅轨迹发散技术研究. 飞机设计，2006，2.