两级弹射筒与三级弹射筒座椅性能的对比分析

冯星 谭率

摘要：弹射筒作为火箭弹射座椅的一级动力，其作用是为人-椅系统弹射出舱提供一定初速。原三级弹射取消一段中筒后变为两级弹射筒，其弹射行程变短、出舱初速降低、出舱时间缩短，这些对座椅的弹射出舱性能以及弹射性能产生一定影响。本文对三级弹射筒和两级弹射筒从出舱受载、出舱姿态、总压信号采集、救生性能等方面特点进行了对比分析。通过试验数据和仿真结果的综合分析，认为采用两级弹射筒，座椅在出舱受载、出舱姿态等方面较三级弹射筒座椅得到了一定改善。

关键词：弹射筒;火箭弹射座椅;弹射出舱，救生性能;最低安全高度

中图分类号：V244.21+2 文献标识码：A

弹射座椅是乘员应急离机的保障装置，被誉为蓝天上的“生命之舟”。座椅的弹射动力发展到现在普遍采用弹射筒和火箭包组合方式，弹射筒为伸缩式套筒结构，套筒数量经历了单级、两级、三级、四级。目前国外主流弹射座椅有：英国NM-16系列座椅、美国S4S座椅以及俄罗斯的K-36系列座椅的弹射筒均为两级，而国内现役座椅弹射筒多采用三级。本文针对国内弹射座椅的三级弹射筒和两级弹射筒技术特点，就弹射出舱过程和弹射性能进行对比分析，为弹射座椅一级动力的参数设计提供经验数据和分析方法。

1 弹射筒主要性能对比

相比三级弹射筒，两级弹射筒脱离行程、弹射初速、工作时间均变小，两者主要技术性能对比见表10数据表明：两级弹射筒较三级弹射筒在行程缩短580mm;弹射初速下降2.5m/s;工作时间缩短约0.06s。

在高温85℃、弹射质量225kg和低温-55℃、弹射质量205kg条件下，弹射筒的过载曲线如图1、图2[1]所示，从曲线可以发现：两级弹射筒相比三级弹射筒，过载增长率、过载峰值基本保持一致，峰值维持时间上有所减小，因此作用在乘员身上的过载，两级弹射筒座椅会低于三级弹射筒座椅。

2 出舱性能影响分析

2.1 出舱载荷

座椅启动弹射后，在一级动力弹射筒的作用下，座椅会沿弹射轴线弹射出舱，弹射出舱过程受人-椅系统重力和气动力作用，内外套筒之间会产生一定的弯矩。以两级套筒结构为例，随着弹射行程增加，跟人-椅系统一起运动的内筒与固连座舱的外形成一个“悬臂”，如图3所示。高速弹射时，气动载荷（F）会使人-椅系统产生“抬头”力矩，即内筒与外筒之间产生一个逆时针的弯矩;同时内筒与外筒之间产生一个弯曲角度j。假设整个人-椅系统处于静态状态下，弯曲角Φ有以下关系：式中：f为弹射筒末端弯曲度;l为弹射筒总长;l₁为弹射筒下支点到脱离面长度;l₂=l-l₁。

当表速大于850km/h时，在气动载荷作用下，弯曲角Φ≈20°～25°。考虑到座椅的安装角17°或者22°，因此内外筒脱离时座椅弹射轴线与铅垂线的角度可达45°，而三级弹射筒由于弹射行程较大，弯曲角度Φ也更大。这不仅对弹射筒的结构强度设计提出了更高的设计要求，同时对座椅的性能也产生重要影响，主要体现在：

（1）内外筒脱离时弹射轴线与铅垂线的角度增大，会使一级动力产生的速度向上分离减小，这将对人-椅系统越过飞机垂尾产生不利影响;

（2）弹射筒脱离时，由于产生的弯曲溅Φ，将使座椅进入气流时的俯仰角增大，此种情况下，气动载荷作用方向将不是作用在人体耐受能力较强的“胸-背”方向。

2.2 出舱姿态

为保证座椅沿弹射轴线顺利出舱，一般在弹射筒外筒安装了4对滑块或者滑轮，在座椅骨架内设计有滑槽进行导向，通过滑塊与滑槽的配合约束，使座椅只能沿弹射轴方向有自由度，其他方向均无自由度。而座椅滑块与滑轨配合时最大行程为1090mm，当座椅出舱行程超过1090mm后，滑块与滑槽脱离（图4所示位置），此时人-椅系统能够绕弹射轴线转动，这个转动可能带来不利影响。

由于人-椅系统在纵平面（XOY面）不是完全对称，在气动作用下产生一定侧向力。根据座椅高速风洞试验数据[2]，侧向力系数曲线与侧滑角关系如图5所示，曲线表明：0°～60°范围内侧向力系数随侧滑角增大而增大，即座椅出现偏航气动扰动时，在侧向力作用下座椅侧滑角会增大。因此三级弹射筒的行程在1090～1660mm时，人-椅系统会绕着弹射轴线转动，其作用效果是人-椅系统与座舱脱离后，产生较大偏航角和偏航角速率。

以某三级弹射筒座椅的1发地面1100km/h弹射试验为例，通过间隔60ms截取了座椅出舱时的三张高速录像图片，如图6[3]所示，从第一张照片至第三张照片，时间间隔120ms，而座椅的偏航角超过90°，平均偏航角速率达681（°）/s。

两级弹射筒内外筒脱离行程1080mm，此时座椅滑轨与弹射筒滑块未脱离，对偏航方向还有约束作用，因此在人-椅系统与座舱脱离时，不会产生较大偏航角速率。同样以某两级弹射筒座椅地面1100km/s弹射试验出舱过程为例，间隔60ms截取三张高速录像如图7[4]所示，结果显示座椅在偏航方向上的转动很小，高速录像判断座椅偏航角速率小于110（°）/s，座椅出舱后“立姿”效果明显，符合GJB4049-2000《飞机应急离机系统通用规范》[5]中规定的生理耐限极限。

2.3 总静压信号采集

座椅出舱时的表速通常是根据程控器采集总压和静压计算得出。总压感受依靠伞箱两侧风速管，静压感受座椅椅背处程控器静压感受窗口，静压感受窗口处于座椅尾流区，因此感受的静压比实际值偏低，解决的方法是根据感受的总压对静压进行修正。因此要求座椅在出舱时能采集较为准确的总压信号[6]。两级弹射筒缩短了弹射行程，对总压采集产生影响，通过CFD软件数值仿真计算了1100km/h速度时，两种弹射筒在不同行程时采集的总压和静压值，仿真结果数据见表2[7]，结果表明：两种座椅出舱时的流场特性相似;风速管处的总压和程控器静压窗感受的静压差别很小。