● 摘要
弹射座椅多参数多模态控制作为提高和改善低空不利姿态条件下救生性能的切实可行的方案在K36D-3.5座椅上得到成功验证。该方案便于在现役座椅的基础上进行改型，容易工程化，既解决了由于推力矢量控制技术瓶颈而使第四代弹射座椅难以短期内实现的问题，同时又实现了低空不利姿态救生性能的提高。通过几何关系推导得出的不利姿态条件下出舱阶段座椅姿态角与飞机姿态角之间的关系式成功地解决了六自由度方程中座椅姿态参数初始值的问题，为不利姿态条件下弹射仿真打下基础。结合工程实际应用，以HTY-8座椅为原型，建立了多参数多模态控制仿真模型；将弹射过程分为清除弹射通道、出舱、自由飞、救生伞拉直和救生伞充气张满5个阶段，分别建立了各阶段的运动数学模型。参考期刊影响因子，提出了安全高度影响因子法，通过比较弹射启动时飞机各参数的平均影响因子，按照各参数对救生高度的影响程度，结合所建立的仿真模型，确定了多模态控制的输入参数为：速度、高度、俯冲角、横滚角和横滚角速度。以C++ Builder为平台，编写了六自由度仿真控制软件，解决了先前三自由度方程难以准确描述弹射过程的问题。通过和实验数据的对比，仿真结果能够满足工程需要。在求解六自由度方程时，提出了四元数与欧拉角相结合的方法，成功地解决了欧拉速率方程的奇异性和全姿态角问题，在计算效率和准确度上均优于六参数法、九参数法、双欧拉法和四元数法等方法。根据弹射实例统计将高度分为超低空（0~150m）、低空（150~2000m）、中空（2000~5000m）和高空（大于5000m）四种模式，将速度分为低速（0~200km/h）、中速（200~650km/h）和高速（大于650km/h）三种模式。利用安全高度影响因子，初步确定了俯冲角和横滚角在不同速度和高度条件下的临界值。通过计算机仿真，以最低安全救生高度、多轴动态响应指数（MDRC）、最大开伞动载、乘员生理极限等为指标分析仿真结果，共划分30种弹射工作模式。通过将仿真结果与K36D-3.5、K36D-3.5A和ACESII座椅的对比，在文献资料所给的弹射条件下，在最低安全救生高度方面接近K36D-3.5A而优于K36D-3.5和ACESII。通过与国军标（GJB 1800-93）“弹射座椅乘员应急离机救生系统通用规范”所规定的68种弹射条件所要求的最低安全救生高度的对比，其中有30种条件能够满足国军标要求，约占44%，其余没有满足国军标要求的除了高速弹射条件外，最低安全救生高度均有较大的改善。能够实现0高度0速度横倾90º的弹射救生。在倒飞条件下，最低安全救生高度平均降低约40m左右。在俯仰姿态方面的控制效果不很理想，最低安全救生高度的平均减小量不足10m。对于高速（速度大于1000km/h）弹射条件，多模态控制难以达到改善救生性能的目的，尚需要探索新的方案。本文所划分的多参数多模态控制能够达到改善中低速低空不利姿态救生能力的目的，所设计的控制规律可以作为第四代自适应智能化弹射座椅的参考，是第四代弹射座椅研制的基础。此外，为解决HTY-6型座椅在中速区域射伞延迟时间问题，通过仿真，借鉴马丁贝克公司的FAST程控器模式，用试算方法，以最大开伞动载为指标，对该速度区域的延迟时间作了优化。仿真结果表明，所采用的优化时间基本上能够满足射伞速度不超过最大允许开伞速度。开伞动载基本上满足乘员生理极限，不超过17G。所作的优化可以作为工程应用的指导，改善HTY-6座椅开伞延迟时间。同时，通过仿真比较分析了稳定伞是否射出对弹射轨迹的影响，结果表明，在低速条件下，稳定伞的射出与否对弹射轨迹的影响较小，缩短救生伞射出延迟时间可以达到改善低速条件下的救生性能的目的。