铅垂面内人-椅系统运动性能分析

铅垂面内人-椅系统运动性能分析

飞行目标模型的数值模拟根据航空生物化学研究，在座椅上反射过程中，人体对过载、旋转角速度和地面速度等参数的耐受极限受到生理条件的限制。要保证飞行员弹射救生安全,不仅座椅、伞、弹射机构动作要安全可靠,还要求弹射过程中人-椅系统的过载、旋转角速度、着陆速度等综合救生性能参数符合要求。研究座椅弹射救生性能的关键是要确定人-椅系统的气动力,通常的做法是对人-椅模型进行吹风试验得到所需的气动参数,这是目前国内在型号研制中所采取的一种行之有效的方法,但存在费用昂贵和试验周期长等问题。随着计算机科学和计算流体力学(CFD)的迅速发展,用数值模拟方法来解决流体力学问题取得了较大进展,非结构网格因其能易于控制网格单元的大小、形状及网格点的位置,对复杂外形的适应能力强等特点而得到迅速发展,用CFD方法模拟计算副油箱、炸弹等机身外挂物抛放轨迹方面取得了很好的效果,用非结构网格的CFD技术对飞机弹射座椅轨迹的模拟仿真也进行了有益的尝试,数值模拟方法可以减少试验次数,从而降低研制费用,缩短研制周期。为验证非结构网格在座椅弹射救生性能研究中的有效性,本文假定座椅在纵平面内弹射,并采用简化的平面人-椅系统模型建立其非结构网格,用数值模拟的方法计算座椅的运行轨迹、运行速度和旋转角速度等性能参数,并由某型座椅的弹射试验对计算结果进行了验证。1气动特性的建立选取人-椅-伞系统统一模型,如图1所示。Oxy为固定坐标系,O1x1y1为座椅坐标系,初始时刻,两坐标系的原点重合,z和z1轴由右手定则确定。基本假设如下:(1)弹射时,飞机处于水平直线飞行,并不受弹射过程的影响;(2)飞机对座椅的气动特性没有影响;(3)忽略风速的影响;(4)弹射力和火箭推力的作用线在座椅的对称面内,故座椅在铅垂面内运动;(5)忽略由于火箭燃烧而减少的质量。根据以上基本假设,可以建立座椅弹射过程的运动方程。设座椅的广义速度列阵v=[vxvyω]T,其中vx,vy,ω分别为座椅的水平分速、垂直分速和角速度,人-椅系统的统一方程可以写为:Mdvdt=P(γ)−F(α,v)−G(1)Μdvdt=Ρ(γ)-F(α,v)-G(1)式中,M,P(γ),F(α,v),G分别为人-椅系统广义质量矩阵、推力列阵、气动力列阵和重力列阵,其中γ,α分别为座椅的姿态角和气动仰角。上述矩阵中的各元素与座椅弹射过程的各个阶段有关。为得到人-椅系统的气动特性,用Euler方程作为控制方程,采用中心差分格式计算了人-椅系统的气动特性。首先用CAD技术构造人-椅系统平面外形,然后利用推进阵面法建立人-椅系统的非结构网格。座椅特征点在某一方向(i=x1,y1)的气动力系数CFi为:CFi=FiqAz(2)CFi=FiqAz(2)式中,Fi为i方向的合力,q为远方来流的动压,Az为座椅特征面积。气动力矩系数CMi为:CMi=MiqAzLz(3)CΜi=ΜiqAzLz(3)式中,Mi为z1方向力矩,Lz为座椅的特征长度。而座椅表面单元s在x1,y1方向上的合力fi为:fi=∫spnˆdA+∫sτstˆidA(4)fi=∫spn^dA+∫sτst^idA(4)式中,nˆn^为i方向单元法向分量,tˆt^i为i方向上的单元切向分量,τs为表面摩擦力。座椅的总合力为各表面单元力的合成:Fi=∑j=1n(fi)j(5)Fi=∑j=1n(fi)j(5)式中,i表示x1和y1方向,n表示人-椅系统模型总的计算单元个数。2运行轨迹分析首先对某型座椅的气动阻力系数、升力系数和气动力矩系数进行了计算,并与相应的吹风数据进行了比较(见图2)。由图2可见,气动仰角α=-50°~-5°和α=35°~70°范围内,气动阻力系数的计算值与试验数据吻合良好,在α=-5°~35°范围内,理论值低于试验值,在计算所考虑的仰角范围内,理论值与试验值的趋势相符。计算的升力系数和力矩系数与试验值也符合得较好。在Ma=0.5~1.0(间隔0.1)的各个静态情况下,计算了座椅的气动阻力系数、升力系数和力矩系数,稳定伞、引导伞及救生伞的阻力特征采用经验估计值,并忽略它们的升力系数。在时域内采用龙格-库塔积分法(步进时间间隔0.001s)对人-椅系统的运动方程式(1)进行求解,得到每个时刻的高度、速度、角速度等各种性能数据。人-椅系统的运行轨迹如图3所示。其中,小圆点为某型座椅进行弹射试验时通过遥测得到的运行轨迹数据,弹射条件为高度0m、速度500km/h,射伞分离时间设定为2.48s。实线为用弹射试验时的原始数据进行计算得到的运行轨迹。可以看到,在座椅射出稳定伞以前(x≈90m),理论运行轨迹与试验值符合得较好;在相继射出稳定伞、救生伞后,轨迹高度误差较大,理论轨迹的最大高度约67m,比试验值(约60m)大11%左右,说明稳定伞、救生伞等气动部件的弹性对精度有一定影响,分析模型还需进一步改进。图4为计算和实测得到的人-椅运行速度曲线。从图4中曲线可看出,在出舱和火箭助推阶段,人-椅水平分速和垂直分速的计算值与实测值比较接近,在射出稳定伞、救生伞后,理论值与弹射实测值有些偏离,特别是水平分速的偏离要更大些,但在变化趋势上基本一致。计算时由于没有考虑风速的影响,水平速度趋近于零,实际弹射时存在风速,落地时水平速度出现负值,这从实测轨迹上可以得到印证。计算和遥测得到的座椅滚转角速度随时间的变化如图5所示,从图5中可看到,预估座椅角速度的误差较大。不过从最大角速度值来看,计算值与实测值接近,从角速度变化情况来看,仍反映出座椅角速度在零位附近震荡的特点。在座椅弹射初始阶段,计算得到的角速度值的变化明显低于实测值,主要原因是在理论计算时,没有考虑座椅与滑轨之间的间隙、滑轨的弹性变形和座椅出舱过程中气动力的变化历程等因素,弹射力和火箭推力值的分散性也没有给予考虑。出舱后的座椅角速度幅值同样也低于实测值,这是由于稳定伞、救生伞的气动特性采用的是经验数据,且没有考虑它们的弹性影响,说明要准确预估其滚转角速度,