羅經(jīng)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(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法研究了座椅的外流場。根據(jù)外流場研究結(jié)果設(shè)計(jì)了兩種可能的穩(wěn)定減速方案，通過比較氣動(dòng)特性，選取了較優(yōu)的穩(wěn)定減速方案。最后，通過性能計(jì)算方法研究了座椅出艙后的運(yùn)動(dòng)情況，對穩(wěn)定減速方案的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：密閉式彈射座椅;臨近空間，穩(wěn)定減速技術(shù);CFD仿真

中圖分類號：V244.21+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

臨近空間涵蓋距離地面20～100km的空域[1]，介于傳統(tǒng)的航空與航天活動(dòng)范圍的中間。處于該區(qū)域的飛行器向上可攻擊在軌飛行的衛(wèi)星，下可攻擊地面目標(biāo)和傳統(tǒng)的航空器，常規(guī)導(dǎo)彈武器卻難以對高超聲速巡航的臨近空間飛行器構(gòu)成威脅。臨近空間飛行器正成為各國爭相研究的熱點(diǎn)，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(shù)不大于3，仍無法解決30km以上的救生問題[2]?？紤]到臨近空間的大馬赫數(shù)下的氣動(dòng)熱效應(yīng)，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(wěn)定減速是救生系統(tǒng)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(nèi)才能開傘，因此，救生裝置出艙后，必須經(jīng)歷一個(gè)減速過程，以減速至允許開傘的速度范圍內(nèi)。

（2）受人體生理耐限限制，在開傘前的運(yùn)動(dòng)過程中，人-椅系統(tǒng)的角度和角速度必須保持在一定范圍內(nèi)，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(tǒng)必須保持良好的姿態(tài)，以免人、椅、傘三者發(fā)生干擾，影響救生。

彈射座椅的穩(wěn)定性主要是指穩(wěn)定減速的過程中，彈射座椅的姿態(tài)角和角速度保持在可接受的范圍內(nèi)。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(shí)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(guān)的救生技術(shù)在國內(nèi)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(wěn)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，可對未來的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 密閉式彈射座椅模型構(gòu)建

密閉式彈射座椅的研究最早始于20世紀(jì)50-60年代中期。最典型的是美國斯坦利公司為B-58飛機(jī)配套研制的密閉式彈射座椅。該座椅上安裝了一個(gè)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(nèi)現(xiàn)有的敞開式彈射座椅的設(shè)計(jì)尺寸的基礎(chǔ)上，綜合考慮密閉門的工作方式和乘員活動(dòng)空間，可以得出可行的密閉式彈射座椅側(cè)面輪廓，如圖2所示。側(cè)面輪廓確定后，可完成密閉式彈射座椅三維模型的構(gòu)建。

2 密閉式彈射座椅外流場計(jì)算

在彈射座椅的設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)特性分析是氣動(dòng)設(shè)計(jì)部分的重要內(nèi)容。我國獲得彈射座椅氣動(dòng)數(shù)據(jù)的主要手段為風(fēng)洞試驗(yàn)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，國外較早地將數(shù)值模擬的方法運(yùn)用到座椅的氣動(dòng)計(jì)算中。Caruso等[3]研究了二維薄層N-S方程數(shù)值方法，對人-椅系統(tǒng)在跨超聲速時(shí)氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性;Habchi等[4]用N-S方程研究了三維人-椅系統(tǒng)的數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞數(shù)值結(jié)果吻合較好;Habchi等[5]對人-椅系統(tǒng)非定常問題做了數(shù)值模擬。國內(nèi)近幾年在彈射座椅數(shù)值計(jì)算方面也取得了一些進(jìn)展。宋寶銀等[6]利用CFD數(shù)值方法模擬了國內(nèi)某型號座椅在不同馬赫數(shù)下、迎角0°～60°、偏轉(zhuǎn)角0°～30°時(shí)人椅系統(tǒng)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(hù)裝置對人-椅系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬;郁嘉等[8]采用CFD軟件對彈射座椅外流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將氣動(dòng)參數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，吻合較好。國內(nèi)外的研究進(jìn)展已經(jīng)充分證明了CFD技術(shù)在彈身i座椅氣動(dòng)特N鈿鈿研究中的可行性。

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

通過外流場計(jì)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(jìn)行了氣動(dòng)力矩計(jì)算。計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)量很大。為了節(jié)省篇幅，在此僅選擇迎角為0°的結(jié)果進(jìn)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(qū)域。座椅后部由于氣流分離的影響，形成了低壓區(qū)域，而后壓力逐步恢復(fù)，尾流區(qū)域在Z截面呈現(xiàn)燕尾形狀。為獲得較大的穩(wěn)定力矩，穩(wěn)定減速方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避開該燕尾區(qū)域。

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

由圖6可知，在無穩(wěn)定減速裝置時(shí)，密閉式彈射座椅僅在負(fù)迎角時(shí)具有靜穩(wěn)定性，需要通過設(shè)計(jì)穩(wěn)定減速裝置來提升靜穩(wěn)定性。

3 穩(wěn)定減速方案設(shè)計(jì)與選型

目前敞開式彈射座椅的穩(wěn)定減速方案主要有三種：穩(wěn)定傘、穩(wěn)定板和穩(wěn)定桿[9]。

由于高馬赫數(shù)下長時(shí)間的氣動(dòng)加熱將會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定傘材料強(qiáng)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(shù)2.45[10]。結(jié)合密閉式彈射座椅的工作環(huán)境和穩(wěn)定減速需求來看，應(yīng)選擇剛性的穩(wěn)定減速方案。因此，初步選擇穩(wěn)定板方案和穩(wěn)定桿方案的結(jié)構(gòu)形式。

考慮外流場分布情況，經(jīng)過初步計(jì)算，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定板（如圖7所示）和穩(wěn)定桿兩種穩(wěn)定減速裝置（如圖8所示）。

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

為比較兩種穩(wěn)定減速裝置的氣動(dòng)性能，計(jì)算了穩(wěn)定板和穩(wěn)定桿兩種方案的俯仰力矩系數(shù)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(wěn)定板裝置后，密閉式彈射座椅的靜穩(wěn)定性并無明顯提升，而增加穩(wěn)定桿裝置后，密閉式彈射座椅的靜穩(wěn)定性有了很大的提高。穩(wěn)定桿裝置中，起主要作用的是穩(wěn)定桿末端的穩(wěn)定傘。

由此，選擇穩(wěn)定桿裝置作為密閉式彈射座椅的穩(wěn)定減速方案。

4 穩(wěn)定減速方案優(yōu)化

選定了穩(wěn)定桿裝置作為密閉式彈射座椅的穩(wěn)定減速方案后，進(jìn)一步開展了優(yōu)化研究。

首先選取了優(yōu)化參數(shù)?？紤]到穩(wěn)定桿裝置中起主要作用的是穩(wěn)定桿末端的穩(wěn)定傘，因此選取了單個(gè)穩(wěn)定傘的阻力特征作為一個(gè)優(yōu)化參數(shù)。此外，從座椅的總體設(shè)計(jì)角度，選取了重心位置作為了另一個(gè)優(yōu)化參數(shù)。

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

為了對以上結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，采用了六自由度性能計(jì)算的方法，研究了座椅從彈射出艙到救生傘開傘之間的運(yùn)動(dòng)過程，繪制了不同參數(shù)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(zhǔn)狀態(tài)，模型B為重心位置上移200mm的狀態(tài)，模型C為重心位置前移200mm的狀態(tài)，模型E為阻力特征增加2倍后的狀態(tài)。

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

5 結(jié)論

通過密閉式彈射座椅模型構(gòu)建、外流場計(jì)算、穩(wěn)定減速方案設(shè)計(jì)與選型、穩(wěn)定減速方案優(yōu)化等研究，可以得出以下結(jié)論：

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

（2）增大穩(wěn)定桿末端穩(wěn)定傘的阻力特征和將座椅重心位置前移是提高穩(wěn)定桿方案的穩(wěn)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(dòng)熱效應(yīng)的影響。高空大馬赫數(shù)下氣動(dòng)熱效應(yīng)明顯，未來可開展氣動(dòng)熱效應(yīng)對穩(wěn)定減速性能影響的進(jìn)一步研究。

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