鉛垂面內(nèi)人-椅系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能分析

鉛垂面內(nèi)人-椅系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能分析

飛行目標(biāo)模型的數(shù)值模擬根據(jù)航空生物化學(xué)研究，在座椅上反射過(guò)程中，人體對(duì)過(guò)載、旋轉(zhuǎn)角速度和地面速度等參數(shù)的耐受極限受到生理?xiàng)l件的限制。要保證飛行員彈射救生安全,不僅座椅、傘、彈射機(jī)構(gòu)動(dòng)作要安全可靠,還要求彈射過(guò)程中人-椅系統(tǒng)的過(guò)載、旋轉(zhuǎn)角速度、著陸速度等綜合救生性能參數(shù)符合要求。研究座椅彈射救生性能的關(guān)鍵是要確定人-椅系統(tǒng)的氣動(dòng)力,通常的做法是對(duì)人-椅模型進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)得到所需的氣動(dòng)參數(shù),這是目前國(guó)內(nèi)在型號(hào)研制中所采取的一種行之有效的方法,但存在費(fèi)用昂貴和試驗(yàn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的迅速發(fā)展,用數(shù)值模擬方法來(lái)解決流體力學(xué)問(wèn)題取得了較大進(jìn)展,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格因其能易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及網(wǎng)格點(diǎn)的位置,對(duì)復(fù)雜外形的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)而得到迅速發(fā)展,用CFD方法模擬計(jì)算副油箱、炸彈等機(jī)身外掛物拋放軌跡方面取得了很好的效果,用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的CFD技術(shù)對(duì)飛機(jī)彈射座椅軌跡的模擬仿真也進(jìn)行了有益的嘗試,數(shù)值模擬方法可以減少試驗(yàn)次數(shù),從而降低研制費(fèi)用,縮短研制周期。為驗(yàn)證非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在座椅彈射救生性能研究中的有效性,本文假定座椅在縱平面內(nèi)彈射,并采用簡(jiǎn)化的平面人-椅系統(tǒng)模型建立其非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,用數(shù)值模擬的方法計(jì)算座椅的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和旋轉(zhuǎn)角速度等性能參數(shù),并由某型座椅的彈射試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。1氣動(dòng)特性的建立選取人-椅-傘系統(tǒng)統(tǒng)一模型,如圖1所示。Oxy為固定坐標(biāo)系,O1x1y1為座椅坐標(biāo)系,初始時(shí)刻,兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合,z和z1軸由右手定則確定。基本假設(shè)如下:(1)彈射時(shí),飛機(jī)處于水平直線飛行,并不受彈射過(guò)程的影響;(2)飛機(jī)對(duì)座椅的氣動(dòng)特性沒(méi)有影響;(3)忽略風(fēng)速的影響;(4)彈射力和火箭推力的作用線在座椅的對(duì)稱面內(nèi),故座椅在鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng);(5)忽略由于火箭燃燒而減少的質(zhì)量。根據(jù)以上基本假設(shè),可以建立座椅彈射過(guò)程的運(yùn)動(dòng)方程。設(shè)座椅的廣義速度列陣v=[vxvyω]T,其中vx,vy,ω分別為座椅的水平分速、垂直分速和角速度,人-椅系統(tǒng)的統(tǒng)一方程可以寫為: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分別為人-椅系統(tǒng)廣義質(zhì)量矩陣、推力列陣、氣動(dòng)力列陣和重力列陣,其中γ,α分別為座椅的姿態(tài)角和氣動(dòng)仰角。上述矩陣中的各元素與座椅彈射過(guò)程的各個(gè)階段有關(guān)。為得到人-椅系統(tǒng)的氣動(dòng)特性,用Euler方程作為控制方程,采用中心差分格式計(jì)算了人-椅系統(tǒng)的氣動(dòng)特性。首先用CAD技術(shù)構(gòu)造人-椅系統(tǒng)平面外形,然后利用推進(jìn)陣面法建立人-椅系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。座椅特征點(diǎn)在某一方向(i=x1,y1)的氣動(dòng)力系數(shù)CFi為:CFi=FiqAz(2)CFi=FiqAz(2)式中,Fi為i方向的合力,q為遠(yuǎn)方來(lái)流的動(dòng)壓,Az為座椅特征面積。氣動(dòng)力矩系數(shù)CMi為:CMi=MiqAzLz(3)CΜi=ΜiqAzLz(3)式中,Mi為z1方向力矩,Lz為座椅的特征長(zhǎng)度。而座椅表面單元s在x1,y1方向上的合力fi為:fi=∫spn?dA+∫sτst?idA(4)fi=∫spn^dA+∫sτst^idA(4)式中,n?n^為i方向單元法向分量,t?t^i為i方向上的單元切向分量,τs為表面摩擦力。座椅的總合力為各表面單元力的合成: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-椅系統(tǒng)模型總的計(jì)算單元個(gè)數(shù)。2運(yùn)行軌跡分析首先對(duì)某型座椅的氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)和氣動(dòng)力矩系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,并與相應(yīng)的吹風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(見圖2)。由圖2可見,氣動(dòng)仰角α=-50°~-5°和α=35°~70°范圍內(nèi),氣動(dòng)阻力系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,在α=-5°~35°范圍內(nèi),理論值低于試驗(yàn)值,在計(jì)算所考慮的仰角范圍內(nèi),理論值與試驗(yàn)值的趨勢(shì)相符。計(jì)算的升力系數(shù)和力矩系數(shù)與試驗(yàn)值也符合得較好。在Ma=0.5~1.0(間隔0.1)的各個(gè)靜態(tài)情況下,計(jì)算了座椅的氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)和力矩系數(shù),穩(wěn)定傘、引導(dǎo)傘及救生傘的阻力特征采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值,并忽略它們的升力系數(shù)。在時(shí)域內(nèi)采用龍格-庫(kù)塔積分法(步進(jìn)時(shí)間間隔0.001s)對(duì)人-椅系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式(1)進(jìn)行求解,得到每個(gè)時(shí)刻的高度、速度、角速度等各種性能數(shù)據(jù)。人-椅系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡如圖3所示。其中,小圓點(diǎn)為某型座椅進(jìn)行彈射試驗(yàn)時(shí)通過(guò)遙測(cè)得到的運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù),彈射條件為高度0m、速度500km/h,射傘分離時(shí)間設(shè)定為2.48s。實(shí)線為用彈射試驗(yàn)時(shí)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到的運(yùn)行軌跡?？梢钥吹?在座椅射出穩(wěn)定傘以前(x≈90m),理論運(yùn)行軌跡與試驗(yàn)值符合得較好;在相繼射出穩(wěn)定傘、救生傘后,軌跡高度誤差較大,理論軌跡的最大高度約67m,比試驗(yàn)值(約60m)大11%左右,說(shuō)明穩(wěn)定傘、救生傘等氣動(dòng)部件的彈性對(duì)精度有一定影響,分析模型還需進(jìn)一步改進(jìn)。圖4為計(jì)算和實(shí)測(cè)得到的人-椅運(yùn)行速度曲線。從圖4中曲線可看出,在出艙和火箭助推階段,人-椅水平分速和垂直分速的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近,在射出穩(wěn)定傘、救生傘后,理論值與彈射實(shí)測(cè)值有些偏離,特別是水平分速的偏離要更大些,但在變化趨勢(shì)上基本一致。計(jì)算時(shí)由于沒(méi)有考慮風(fēng)速的影響,水平速度趨近于零,實(shí)際彈射時(shí)存在風(fēng)速,落地時(shí)水平速度出現(xiàn)負(fù)值,這從實(shí)測(cè)軌跡上可以得到印證。計(jì)算和遙測(cè)得到的座椅滾轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間的變化如圖5所示,從圖5中可看到,預(yù)估座椅角速度的誤差較大。不過(guò)從最大角速度值來(lái)看,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值接近,從角速度變化情況來(lái)看,仍反映出座椅角速度在零位附近震蕩的特點(diǎn)。在座椅彈射初始階段,計(jì)算得到的角速度值的變化明顯低于實(shí)測(cè)值,主要原因是在理論計(jì)算時(shí),沒(méi)有考慮座椅與滑軌之間的間隙、滑軌的彈性變形和座椅出艙過(guò)程中氣動(dòng)力的變化歷程等因素,彈射力和火箭推力值的分散性也沒(méi)有給予考慮。出艙后的座椅角速度幅值同樣也低于實(shí)測(cè)值,這是由于穩(wěn)定傘、救生傘的氣動(dòng)特性采用的是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),且沒(méi)有考慮它們的彈性影響,說(shuō)明要準(zhǔn)確預(yù)估其滾轉(zhuǎn)角速度,