密闭式弹射座椅稳定减速技术研究

罗经纬 冯光辉 张大林 陈维健

摘要：建立了适用于临近空间条件下的密闭式弹射座椅模型，采用计算流体力学（CFD）方法研究了座椅的外流场。根据外流场研究结果设计了两种可能的稳定减速方案，通过比较气动特性，选取了较优的稳定减速方案。最后，通过性能计算方法研究了座椅出舱后的运动情况，对稳定减速方案的参数进行了优化。

关键词：密闭式弹射座椅;临近空间，稳定减速技术;CFD仿真

中图分类号：V244.21+2 文献标识码：A

临近空间涵盖距离地面20～100km的空域[1]，介于传统的航空与航天活动范围的中间。处于该区域的飞行器向上可攻击在轨飞行的卫星，下可攻击地面目标和传统的航空器，常规导弹武器却难以对高超声速巡航的临近空间飞行器构成威胁。临近空间飞行器正成为各国争相研究的热点，而临近空间飞行器同样面临乘员救生问题。

目前敞开式弹射座椅的救生包线为高度0～30km，马赫数不大于3，仍无法解决30km以上的救生问题[2]。考虑到临近空间的大马赫数下的气动热效应，密闭式弹射座椅是临近空间条件下救生问题的可能解决方案之一。

稳定减速是救生系统要解决的基本问题：

（1）受救生伞性能限制，救生伞必须在一定的速度范围内才能开伞，因此，救生装置出舱后，必须经历一个减速过程，以减速至允许开伞的速度范围内。

（2）受人体生理耐限限制，在开伞前的运动过程中，人-椅系统的角度和角速度必须保持在一定范围内，以免超出人体生理耐限，对人体造成损伤。

（3）救生伞射出瞬间，人-椅系统必须保持良好的姿态，以免人、椅、伞三者发生干扰，影响救生。

弹射座椅的稳定性主要是指稳定减速的过程中，弹射座椅的姿态角和角速度保持在可接受的范围内。减速性能指的是弹射座椅从弹射出舱减速至开伞速度的时间。减速性能主要取决于弹射座椅的阻力特征。目前，临近空间飞行器和相关的救生技术在国内尚处于理论研究阶段。采用仿真建模与分析的方法，对密闭式弹射座椅的稳定减速方案开展研究，分析密闭式弹射座椅的外流场分布情况和出舱后的运动特点，可对未来的工程设计提供参考。

1 密闭式弹射座椅模型构建

密闭式弹射座椅的研究最早始于20世纪50-60年代中期。最典型的是美国斯坦利公司为B-58飞机配套研制的密闭式弹射座椅。该座椅上安装了一个类似于蛋壳的密闭门，其外形如图1所示。

以国外密闭式弹射座椅的外形为参考，在国内现有的敞开式弹射座椅的设计尺寸的基础上，综合考虑密闭门的工作方式和乘员活动空间，可以得出可行的密闭式弹射座椅侧面轮廓，如图2所示。侧面轮廓确定后，可完成密闭式弹射座椅三维模型的构建。

2 密闭式弹射座椅外流场计算

在弹射座椅的设计中，气动特性分析是气动设计部分的重要内容。我国获得弹射座椅氣动数据的主要手段为风洞试验。随着计算流体力学（CFD）技术的发展，国外较早地将数值模拟的方法运用到座椅的气动计算中。Caruso等[3]研究了二维薄层N-S方程数值方法，对人-椅系统在跨超声速时气动特性进行了分析，验证了计算方法的可行性;Habchi等[4]用N-S方程研究了三维人-椅系统的数值模拟，计算结果与风洞数值结果吻合较好;Habchi等[5]对人-椅系统非定常问题做了数值模拟。国内近几年在弹射座椅数值计算方面也取得了一些进展。宋宝银等[6]利用CFD数值方法模拟了国内某型号座椅在不同马赫数下、迎角0°～60°、偏转角0°～30°时人椅系统流场绕流情况及压力分布;魏涛等[7]利用基于S-A湍流模型的DES方法对弹射救生中高速气流吹袭防护装置对人-椅系统气动特性的影响进行了数值模拟;郁嘉等[8]采用CFD软件对弹射座椅外流场进行数值计算，将气动参数与风洞试验数据对比，吻合较好。国内外的研究进展已经充分证明了CFD技术在弹身i座椅气动特N钿钿研究中的可行性。

密闭式座椅系统气流吹袭流场的数值模拟为典型的外流问题，其计算的基本力祛是：以N-S方程为基础，用一组非线性方程组来描述流场的一些物理参数，并进行空间和时间上的离散，通过求解各离散点上的具体物理参数的值来得到最终结果。

通过外流场计算，得到了高度30km、来流速度Ma4.0，19种迎角下密闭式弹射座椅的外流场速度和压力情况，并对给定的重心位置进行了气动力矩计算。计算结果的数据量很大。为了节省篇幅，在此仅选择迎角为0°的结果进行说明。

图3为模型表面的压力分布情况，图4为X轴切面的速度分布情况，图5为Z轴截面的速度分布情况。

可以看出，座椅前部形成了弓形激波，由于气流的滞止和激波的影响，围绕座椅形成了一层高压区域。座椅后部由于气流分离的影响，形成了低压区域，而后压力逐步恢复，尾流区域在Z截面呈现燕尾形状。为获得较大的稳定力矩，稳定减速方案设计时，应尽量避开该燕尾区域。

为进一步研究密闭式弹射座椅的稳定特性，绘制了俯仰力矩系数随迎角的变化情况，如图6所示。

由图6可知，在无稳定减速装置时，密闭式弹射座椅仅在负迎角时具有静稳定性，需要通过设计稳定减速装置来提升静稳定性。

3 稳定减速方案设计与选型

目前敞开式弹射座椅的稳定减速方案主要有三种：稳定伞、稳定板和稳定杆[9]。

由于高马赫数下长时间的气动加热将会导致稳定伞材料强度削弱甚至损坏，丧失工作性能。目前已获得成功的减速边界是20km、马赫数2.45[10]。结合密闭式弹射座椅的工作环境和稳定减速需求来看，应选择刚性的稳定减速方案。因此，初步选择稳定板方案和稳定杆方案的结构形式。

考虑外流场分布情况，经过初步计算，设计了稳定板（如图7所示）和稳定杆两种稳定减速装置（如图8所示）。

稳定板位于密闭式弹射座椅后上方，平时处于折叠状态，在弹射出舱后展开。稳定杆装置为多级套筒式结构，平时收起，工作时射出。稳定杆末端装有两具小稳定伞，平时压人稳定杆套筒中，工作时射出并开伞。在刚性方案中，柔性稳定伞可以用刚性的转子替代，以提供相应的阻力特征。

为比较两种稳定减速装置的气动性能，计算了稳定板和稳定杆两种方案的俯仰力矩系数随迎角的变化情况，如图9和图10所示。

从图9中可以看出，增加稳定板装置后，密闭式弹射座椅的静稳定性并无明显提升，而增加稳定杆装置后，密闭式弹射座椅的静稳定性有了很大的提高。稳定杆装置中，起主要作用的是稳定杆末端的稳定伞。

由此，选择稳定杆装置作为密闭式弹射座椅的稳定减速方案。

4 稳定减速方案优化

选定了稳定杆装置作为密闭式弹射座椅的稳定减速方案后，进一步开展了优化研究。

首先选取了优化参数。考虑到稳定杆装置中起主要作用的是稳定杆末端的稳定伞，因此选取了单个稳定伞的阻力特征作为一个优化参数。此外，从座椅的总体设计角度，选取了重心位置作为了另一个优化参数。

为研究稳定伞阻力特征和座椅重心位置对稳定减速性能的影响，首先进行了受力分析，得出了以下结论：（1）重心位置上下移动不能改善座椅的稳定性;（2）重心位置越靠前，稳定性越好;（3）稳定杆末端的稳定伞的阻力越大，座椅稳定性越好;（4）稳定杆末端的稳定伞的阻力特征越大，减速时间越短。

为了对以上结论进行验证，采用了六自由度性能计算的方法，研究了座椅从弹射出舱到救生伞开伞之间的运动过程，绘制了不同参数下座椅俯仰角和俯仰角速度的变化曲线，如图11～图14所示。

其中模型A为基准状态，模型B为重心位置上移200mm的状态，模型C为重心位置前移200mm的状态，模型E为阻力特征增加2倍后的状态。

从俯仰角随时间的变化曲线中可以看出，重心位置上移200mm后，稳定性有明显降低;重心位置前移200mm后，稳定性有明显提升;阻力特征增大两倍后，稳定性有一定提升，同时减速时间有了明显缩短。这与受力分析得出的结论是一致的。

5 结论

通过密闭式弹射座椅模型构建、外流场计算、稳定减速方案設计与选型、稳定减速方案优化等研究，可以得出以下结论：

（1）稳定杆装置可以应用于临近空间环境下的密闭式弹射座椅，其能够有效提高座椅的稳定性。

（2）增大稳定杆末端稳定伞的阻力特征和将座椅重心位置前移是提高稳定杆方案的稳定减速性能的有效途径。

由于研究条件限制，本研究未考虑气动热效应的影响。高空大马赫数下气动热效应明显，未来可开展气动热效应对稳定减速性能影响的进一步研究。

参考文献

[1]李怡勇，李智，沈怀荣.临近空间飞行器发展与应用分析[J].装备指挥技术学院学报，2008，19（2）：61-65.

[2]李锐.航空救生装备的发展[J]_航空科学技术，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]宋保银，张中钢，牟杰.人椅系统绕流流场的数值模拟[J].航空动力学报，2008，23（10）：1859-1867.

[7]魏涛，张大林.弹射救生高速气流吹袭防护气动特性数值模拟[J].应用力学学报，2009，26（4）：767-770.

[8]郁嘉，林贵平.弹射座椅气动参数的数值计算[J].中国工程科学，2007，9（6）：53-57.

[9]王利荣.降落伞理论与应用[M].北京：宇航出版社，1997.

[10]雷森.火箭弹射座椅高速稳定系统选型研究[D].西安：西北工业大学，2007.