风对复杂运动运动响应的仿真分析

风对复杂运动运动响应的仿真分析

弹性座椅是确保飞机远离飞机并安全飞行的重要设备。弹射座椅的救生性能好坏直接关系到飞行员的生命安全。对于弹射座椅救生性能的研究主要采用试验和数值仿真两种方法。试验方法采用地面火箭滑车弹射或空中弹射对弹射座椅弹射过程中的姿态轨迹进行测量,以此评估弹射座椅的救生性能。试验方法虽然能够较为准确地得到弹射座椅的救生性能数据,但受到试验设备和试验条件制约,无法广泛进行,且弹射试验耗资巨大,空中弹射试验还有一定的危险性。此外由于试验设备的限制,很多不利姿态难以进行弹射试验,在这种情况下,计算机数值仿真为研究弹射座椅的救生性能提供了新的途径。近年来,弹射救生性能的数值仿真研究已经在国内外广泛开展,该方法采用飞行力学原理建立弹射座椅弹射过程的动力学模型,通过对动力学模型进行数值求解得到弹射座椅在弹射过程中的姿态和轨迹,分析弹射座椅的救生性能以及主要影响因素,研究改善弹射座椅救生性能的方法。文献～文献建立了弹射座椅各个阶段的动力学模型,对弹射座椅的弹射过程进行了数值仿真,仿真与试验结果对比表明数值仿真方法具有较高的精度。在此基础上,根据数值仿真结果对弹射座椅的减速性能、弹射过载与速度的关系以及不利姿态下的救生性能进行了研究。虽然对于弹射座椅弹射过程的仿真研究已经取得了一些进展,但在以往的弹射救生系统仿真研究中,均假定大气是静止的,即忽略大气运动对弹射的影响。实际上大气往往是不平静的,其水平或铅垂运动对人椅系统及人伞系统的运动必然存在一定的影响,因此在有风情况下弹射座椅的救生性能将受到一定的影响。为了解风对弹射座椅救生性能的影响,本文建立了考虑风速的弹射座椅弹射过程的动力学模型,并采用数值仿真方法对大气运动对弹射轨迹姿态仿真计算结果的影响规律及程度进行了分析,了解不同方向及不同风速的风对弹射座椅救生性能的影响。1有风情况下发射过程动力学建模在弹射救生仿真研究中,弹射过程分为弹射出舱、空中自由飞、救生伞开伞、救生伞充气张满和稳降5个阶段,每个阶段由于约束和受力的不同,采用的动力学模型也不相同,具体的数学模型及坐标系定义参见文献～文献。在以往的仿真研究中均假设弹射座椅在无风条件下进行弹射救生,因此动力学建模不考虑风速的影响,在有风的条件下,弹射过程动力学模型将会有所变化,以弹射座椅自由飞阶段为例,在该阶段认为人椅系统为刚体,动力学模型为刚体六自由度方程,在考虑风速的情况下,体轴坐标系下的刚体六自由度方程为式中:vE=[vE,xtvE,ytvE,zt]为人椅系统的对地速度,即绝对速度,在有风的情况下vE=v+vw,其中v为人椅系统空速,vw为风速;ωxt、ωyt和ωzt分别为角速度在体轴坐标系x、y和z轴方向的投影;Fxt、Fyt和Fzt分别为人椅系统和外力在体轴坐标系x、y和z轴方向的投影;m为质量;下标t表示体轴坐标系下的投影。空速决定了人椅系统弹射过程中所受的气动力,而绝对速度则由空速与风速共同决定。由动力学模型可见,风速会对弹射过程的姿态和轨迹产生影响,从而影响弹射座椅的救生性能。2大气边界层大气运动通常分为相对于地表面的水平运动和垂直于地表面的铅垂运动。空气相对于地表面的水平运动,即气象学定义的风,风是一个平面矢量,分别以风速和风向表示其大小和方向。风速指在单位时间内空气移动的水平距离,气象通常以风力等级表示,共分为12级,每一级对应不同的风速。在本文的研究中,将大气的运动方向以它在地面坐标系中的分量形式给出,分别表示为vw,x、vw,y和vw,z,其中沿x轴和y轴的分量为风速,沿z轴的分量为大气铅垂方向的运动速度。为了研究风对弹射座椅救生性能的影响,选取不同风速风向、不同弹射速度作为计算状态,对弹射救生过程进行数值仿真,根据仿真结果分析风对弹射座椅救生性能的影响。2.1仿真结果及分析气流速度场的分布通常认为是时间和位置的函数,其特性可概括为速度场的时间不规则性和空间不均匀性,一般来说,气流速度由强度大的有规则的确定风和具有随机性质的紊流两个分量组成。有规则的确定风将引起弹射座椅轨迹的变化,而紊流风则引起座椅的角运动。由于弹射座椅的性能主要由座椅的轨迹高度决定,并且弹射座椅的弹射过程时间较短,紊流风对座椅的运动影响相对较小,因此本文把有规则的常值风作为风干扰的主要形式,在仿真分析中取常值风作为计算状态的输入量。风速选取根据大气数据的实际情况,既考虑分析的弹射状态应具有一定的代表性,同时考虑可能出现的最严重和最恶劣的情况。气象学根据水平风速的不同划分了12个风力等级,根据气象学的统计,在正常的天气条件下可能出现的最大风力一般为6级强风,大于6级的风往往出现在极端天气中,飞行中遇到的概率较低,而且飞机一般不会在极端天气条件下飞行,因此本文将强风作为最极端的弹射条件,并且根据风力等级对应的风速,分别取无风、微风以及强风时的风速为仿真计算状态。将水平风速分解为前向风(顺风及逆风)和侧向风单独予以分析。对于大气的垂直运动,按照气象学统计数据,取一般情况下的无速、中速及高速情况。仿真分析计算所取的风速如表1所示。由于高速弹射时弹射座椅的空速远远大于风速,风速对弹射速度的影响很小,因此主要分析中低速弹射时风速对弹射的影响。弹射座椅弹射时速度选取具有代表性的零速和中低速250km/h的弹射状态,零速弹射时为了更直观地分析不同风向及风力对轨迹姿态的影响,认为弹射启动时飞机的绝对速度为0km/h。250km/h弹射时则按照真实的弹射情况,即弹射速度为弹射启动时由空速管测得的前向空速。此外,人椅系统质量取50百分位夏装,火箭包偏心距取0m。2.2地面发射试验结果对比仿真采用4阶龙格库塔法对弹射过程的动力学模型进行数值求解,得到整个弹射过程中人椅系统和人伞系统的姿态和轨迹。4阶变步长龙格库塔法具有5级代数精度,仿真精度较高。将仿真结果与地面弹射试验结果进行对比,地面弹射试验的弹射速度为0km/h,由于没有风速数据,故作无风处理,仿真状态与试验状态一致。垂直速度vz和轨迹高度的仿真与试验结果对比如图1所示。由图1可见,仿真与试验结果的变化趋势一致,轨迹高度的最高点吻合较好,与试验结果的偏差主要发生在救生伞张满阶段,这是由于救生伞张满过程非常复杂,建立数学模型时进行了较多的简化从而导致了偏差。此外计算为无风状态,但弹射试验不可能完全无风,这也导致了计算与试验结果的偏差。但总体上看,仿真结果与试验吻合较好,说明所建立的数学模型是正确合理的,满足仿真分析的要求。3风对爆炸救援性能的影响3.1人伞系统的轨迹姿态首先分析当风向与飞机轴线方向相同时其对轨迹姿态的影响。前向风可分为顺风和逆风,顺风时风向沿体轴正向,逆风时则相反。图2为不同前向风速时,0km/h弹射的轨迹姿态曲线,表2列出了弹射各阶段的结束时间及轨迹高度。对比图2(b)、图2(d)、图2(f)和图2(g)的曲线及表2中相关数据可以看到,在0～0.7s内,各方向的轨迹曲线基本重合,自由飞阶段结束时人椅系统的轨迹高度值也基本相同,说明在零速度弹射时不同前向风速对出舱阶段及自由飞阶段的轨迹影响很小,但是从图2(a)和图2(c)的前向速度vx曲线和侧向速度vy曲线可以看到在自由飞阶段结束时,人椅系统前向及侧向速度有些许偏差,这直接导致图2(h)中救生伞拉直初始时刻人伞系统倾斜角的不同。由图2(a)、图2(b)和图2(g)前向速度、前向轨迹及绝对轨迹曲线可以看出,人伞系统在x轴方向的运动由于前向风的作用发生了明显的变化。为了达到最终的平衡状态,人伞系统的前向绝对速度收敛至与风速相同,即对空相对速度为零,气动力为零。而绝对速度的差异,直接导致前向运动轨迹的变化,由绝对轨迹曲线图2(g)可以明显看出前向风对人伞系统前向运动的影响;前向风对人伞系统的侧向运动虽然存在一定的影响,但是绝对尺度很小,可以不予考虑。当风速较大时,从图2(c)中可以看到,侧向速度会出现一定程度的振荡,最终收敛到零速;图2(f)表明了前向风对轨迹高度曲线的影响不明显,但是由表2中的数据可知,前向风的存在使得伞衣拉直时间及充气张满时间产生了明显的差异。顺风时伞衣拉直与张满较慢,使得伞衣充满时刻轨迹高度较无风时低。反之,逆风时伞衣拉直与张满较快,当逆风风速为12m/s时,人伞系统只需5.564s就完成了整个开伞过程,其轨迹高度超过无风状态约26m。这一现象的产生主要由人伞系统的前向运动引起,快速的前向运动必然取代一定的纵向运动距离,使伞衣完成拉直开伞过程;风速不同时,人伞系统倾斜角的最终稳定角度不同。风速越大,稳定时的倾斜角越大,这由不同方向上伞衣附加质量不同引起。以上为地面静止弹射时前向风速作用对轨迹姿态的影响分析。在正常飞行状态下启动弹射时,飞机必然存在一定的飞行速度,在这种情况下,已知的是弹射启动时的对空速度,有/无风的作用将会导致初始绝对速度不同。因此,该情况下前向风的作用相比于零速弹射时绝对速度相同的情况,结果会略有不同。图3为不同前向风速作用下250km/h弹射时的轨迹姿态曲线,表3列出了不同前向风速时各阶段的结束时间及轨迹高度。从表3自由飞结束时的高度及图3中0～0.73s内各方向的速度和轨迹曲线可以看到,前向风对出舱及自由飞阶段各方向的速度和轨迹完全没有影响。这是因为虽然风速不同,但是弹射启动时的对空速度一致,受力相同,因此该阶段加速度、速度及轨迹变化均相同。在对地坐标x方向由于风速不同,绝对速度不同,因此绝对运动轨迹会产生明显的差异。绝对速度的收敛情况与零速状态相同,最终均收敛于风速。从图3(c)和图3(d)可知,不同风速对侧向速度及轨迹的影响依旧很小,进一步证实了前向风对侧向运动的影响可以忽略不计。图3(h)为纵向轨迹速度和人伞系统倾斜角的变化曲线,可以看到弹射时受逆向风影响,在救生伞张满阶段后期和稳降阶段,人伞系统会产生一定的振荡与摇摆,需要较长的时间才能达到最终的稳定状态。而受顺风影响时,人伞系统不发生任何的振荡过程,直接且快速地达到稳定。不同风速下轨迹高度曲线的变化由图3(f)所示,显然风速对轨迹高度的影响并不明显,单从轨迹曲线的最高点来看,逆风会增加轨迹最高点的高度,而顺风则相反。但是从表3救生伞充满时的轨迹高度来看,逆风时人伞系统充满时的轨迹高度较无风时低,这是由于逆风时人伞系统充满较慢,充满过程损失的高度较多导致轨迹高度降低。顺风时充气略快,充满时的轨迹高度升高,但变化不大。这一规律相较于零速时的规律刚好相反,进一步分析可知,当前向风的方向等同于无风时人伞系统的前向绝对轨迹运动方向时,轨迹最高点偏低,但是伞衣充气快,充满时的轨迹高度值高。而当前向风的方向相反于无风时人伞系统的前向绝对轨迹运动方向时,虽然轨迹最高点升高,但由于伞衣充满时间增加,导致充满时的轨迹高度降低,一定程度上降低了弹射救生系统的安全救生性能。3.2侧向速度和轨迹侧向风定义为沿地面坐标系y轴方向,若风向与y轴相同,称为正侧风,反之则称为负侧风。由于在不考虑弹射启动时飞机滚转角的前提下,正侧风和负侧风的影响基本相同,因此对比曲线及数据只计算了正侧风的情况。图4和图5给出了不同侧向风速时不同弹射速度的轨迹姿态曲线。表4和表5为各状态下弹射各个阶段的结束时间及轨迹高度。由图4(a)、图4(b)和图5(a)、图5(b)可知,侧向风对x方向的速度和轨迹影响很小,且随着弹射速度的增加,其影响程度越来越小。由y方向速度、轨迹和绝对轨迹曲线(见图4(c)、图4(d)和图4(g),图5(c)、图5(d)和图5(g))可知,侧向速度和轨迹在侧向风的作用下产生了明显的变化。随着风速的增加,侧向速度增大并最终收敛于风速,而侧向运动轨迹也明显增加。图4(h)和图5(h)表示了0km/h和250km/h弹射时侧向风对人伞系统倾斜角的影响,可以看到,侧向风对救生伞拉直和张满阶段人伞系统倾斜角的影响很小,仅对稳降阶段人伞系统倾斜角会有一定的影响,不会对安全救生产生不利影响。综上所述,中低速弹射时,由于自由飞时间短,气动力小,因此不同侧向风速对纵向速度的影响很小。轨迹高度的变化主要取决于开伞阶段的初始姿态角,但总体来说影响不大。此外,从表4和表5的数据分析可知,侧向风的影响会减少救生伞的开伞时间,从而在一定程度上增加了伞衣充满时的轨迹高度。风速越大,开伞时间越短,充满时轨迹高度增加越大。但是随着弹射速度的增加,影响程度越来越小。3.3大气垂直运动虽然风的定义仅限于水平方向,但由于空气对流和区域环流等原因,大气在垂直方向也存在运动。当气流速度沿z轴正方向时,称之为下沉气流,反之称为上升气流。大气的垂直运动对弹射救生系统姿态轨迹的影响如图6和图7所示。表6和表7给出了弹射各个阶段的结束时间及轨迹高度。由图6和图7各速度轨迹曲线可以看到,纵向速度和轨迹高度(见图6(e)、图6(f),图7(e)、图7(f))受大气垂直运动的影响最大,说明大气垂直运动的影响主要体现在对纵向速度和轨迹高度的影响上。从图6(a)～图6(d)可以看出,垂直气流对救生系统前向及侧向的运动速度和轨迹存在一定影响,但从绝对数值考虑,其影响程度很小,可以忽略不计。图6(e)和图7(e)表明,大气的垂直运动明显改变了纵向速度的变化规律。下沉气流会加快救生系统的向上减速过程,使之更快的减速到零从而到达轨迹最高点。此外,下沉气流会增加人伞系统的稳降速度,而过快的着陆速度显然不符合安全救生的要求。上升气流的影响则刚好相反,它不但减慢了人伞系统的向上减速,而且当气动力大于人伞系统重力时,收敛速度为负,即人伞系统平衡于一个稳定的上升速度。纵向速度的变化规律直接导致轨迹高度的变化。由图6(f)和图7(f)可知,下降气流使得轨迹高度降低,而上升气流使轨迹高度升高,当弹射速度增加时,这一变化更为明显。从表7救生伞张满时间可以看到,大气的垂直运动对于救生伞的张满时间影响不大,这是由于当救生系统以一定的前向速度弹射时,前向速度和运动是救生伞充气的主要方向,并且随着弹射速度的提高,大气垂直运动对救生伞张满时间的影响会越来越小。因此,救生伞充满时的轨迹高度变化规律等同于轨迹曲线的变化规律,即上升气流使之增加,而下沉气流使之减小。而当救生系统以很低的前向速度弹射时,人伞系统的纵向运动便成为了救生伞充气距离的主要来源,从而导致大气的垂直运动对伞衣充满时间产生了明显的影响。由表6可知,当上升气流为10m/s时,伞衣的充满时间远远大于无风速的情况。但由于较大的向上气动力作用,充满时的轨迹高度反而高于无风速情况。而当上升气流速