● 摘要
弹射座椅弹射过程姿态轨迹数值仿真已逐渐成为弹射座椅性能研究以及型号研制和改进的重要手段。国内虽然也开展了姿态轨迹的数值仿真，但起步较晚，水平较低，缺乏系统性的研究，并且应用的范围也非常有限。本文系统地对弹射座椅弹射过程姿态轨迹数值仿真方法进行了研究，为弹射座椅姿态轨迹数值仿真技术在国内弹射座椅研究领域的广泛应用打下基础。 本文利用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamic)的方法对弹射座椅的外流场进行了数值计算，得到了弹射座椅不同姿态下的气动参数，将计算结果与试验数据进行了比较，计算精度能够满足工程需要。用CFD计算弹射座椅气动参数解决了由于缺少风洞试验数据而导致的气动参数缺乏的问题，清除了妨碍姿态轨迹仿真的一个主要障碍。通过对弹射过程的分析，将弹射座椅的弹射过程分为出舱、自由飞、救生伞拉直和救生伞充气4个阶段，分别建立了各阶段的运动数学模型，并且针对不同座椅的动力形式、稳定减速形式、救生伞拉直方式等建立了不同的数学模型，使数学模型能够适用于不同型号的弹射座椅。在建立自由飞阶段数学模型时，采用四元数法代替传统的欧拉速率方程作为六自由度方程中的旋转运动学方程，以解决欧拉速率方程在座椅俯仰角接近90°时产生的奇异性问题，提高了计算的准确度。 在数学模型的基础之上，采用变步长四阶龙格-库塔数值求解算法，用C++程序语言编写了弹射座椅弹射过程的姿态轨迹仿真程序，对弹射过程的运动数学模型进行了求解。将计算结果与地面弹射试验结果进行对比，计算结果与试验结果的变化趋势基本一致，数值上也较为接近，说明所建立的弹射座椅运动数学模型是符合物理实际的，所使用的求解算法是完全适用的，求解结果可以用来对弹射座椅弹射姿态轨迹作进一步的分析。 根据计算结果，对弹射座椅弹射过程的姿态轨迹进行了分析，并对弹射速度、高度、人椅系统质量、飞机滚转角、俯冲角及下沉率等因素对弹射轨迹和姿态的影响进行了分析。由于国内现有的地面弹射试验设备无法进行不利姿态下的地面弹射试验，因此采用数值仿真方法对弹射座椅在不利姿态下弹射时弹射座椅的救生性能进行分析，以便更加了解不利姿态下弹射座椅的救生性能。从国军标GJB 1800-93的不利姿态表中选取两组算例进行了姿态轨迹仿真计算，分别对飞机有下沉率和滚转角以及飞机有俯冲角和滚转角时的不利姿态进行了分析，通过分析表明，在不利姿态下弹射座椅的救生性能严重下降，造成性能下降的主要原因是座椅姿态变化导致的座椅推力方向的改变和飞机向下的牵连速度所造成的影响，因此提高弹射座椅在不利姿态下的性能需要从纠正座椅姿态和克服飞机向下的牵连速度两个方面入手。对于前者，需要采用姿态调整装置调整座椅姿态使得座椅的推力方向尽量朝向正上方，使座椅的速度尽可能的保持向上的方向；对于后一个方面，则需要加大座椅的推力，使得座椅向上的速度增大以克服飞机向下的牵连速度。但需要注意的是，座椅推力大小的调整必须以座椅姿态的调整为前提，如果在座椅姿态没有调整的情况下增加座椅的推力大小，只能产生相反的效果。因此，改善弹射座椅在不利姿态下的性能的关键在于座椅姿态的调整。 为了使弹射座椅数值仿真技术功能实用化，同时也为了满足弹射座椅研制部门的需要，因此在姿态轨迹数值仿真程序的基础上开发了一个能够在弹射座椅工程研究中能广泛应用的，方便非专业人员使用的通用弹射座椅姿态轨迹仿真软件。该软件集成了弹射座椅姿态轨迹仿真、最低安全高度计算、计算结果后处理等功能，能够为弹射座椅姿态轨迹仿真和弹射座椅性能分析和评价提供一个集成环境和仿真平台，并且具有良好的扩展性，基本满座椅研制工作的需要。填补了国内的空白，对弹射座椅姿态轨迹仿真技术在座椅研制中的推广应用有着重要的意义。