基于ADAMS的弹射座椅弹射出舱姿态研究

周昊 宋亚丽 冯志杰 杨永锋

摘要：座椅弹射出舱阶段作为整个弹射救生过程的初始阶段，其出舱姿态参数的准确获得对弹射座椅研制非常重要，是座椅进行姿态控制、提高救生性能的关键和前提条件。本文以某型弹射座椅为研究对象，计算了弹射座椅在高速弹射时出舱过程的气动载荷，并针对高速状态弹射建立了考虑弹射筒变形和气动载荷的弹射座椅出舱过程刚柔耦合仿真模型。通过动力学仿真获得了座椅的出舱姿态参数以及弹射筒的变形作用对座椅出舱姿态的影响规律。该研究为在役及在研飞机弹射救生系统性能的分析评估和改进设计提供方法和手段，有效提高弹射救生性能分析设计水平。

关键词：弹射座椅；刚柔耦合；气动载荷；动力学仿真；出舱姿态

中图分类号：V文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.010

弹射座椅是现代高速战斗机保证飞行员正常工作和作战效能并在飞机不可挽回的情况下，确保飞行员迅速弹射离机、安全获救的必不可少的关键装备[1]。弹射座椅的弹射过程主要分为弹射出舱、空中自由飞、救生伞拉直、救生伞张满和人椅系统稳降5个阶段[2]。弹射出舱过程是指从飞行员需要拉动中央拉环来使弹射座椅启动，弹射筒内筒点火的一刹那开始到弹射筒内筒完全脱离外筒，人椅系统脱离座舱这一过程。准确获得人椅系统脱离座舱时的姿态参数，是后续阶段进行姿态控制、提高救生性能的关键和前提条件。

国内外对弹射座椅出舱姿态的相关研究较少，对于座椅的结构设计和姿态控制等方面研究较多，并都取得了一定的成绩。其中罗经维等建立了适用于临近空间条件下的封闭式弹射座椅模型，采用计算流体力学方法研究了座椅的外流场[3]。冯星等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[4]。冯志杰等以某型飞机弹射座椅为研究对象，将获取的弹射座椅载荷谱作用于弹射座椅，通过数值仿真分析提取并包络椅载设备安装位置处的响应，得到椅载设备的载荷谱[5]。A. W. Kevin等对基于探针火箭的弹射座椅控制方案进行了研究[6]，J.V. Carroll分析了基于喷口和推力可调的弹射座椅的控制方案[7]。毛晓东等通过建立弹射全过程的轨迹姿态仿真模型，提出了一种全新的控制规律设计方法[8]。张明环等研究了一种基于H形火箭包的弹射座椅姿态控制算法[9]。闵婕采用多刚体动力学分析软件ADAMS对射伞过程中伞系统与稳定杆的空间运动轨迹进行仿真[10]。以上座椅的姿态研究均对座椅出舱阶段做了简化处理，更侧重于座椅出舱以后的自由飞阶段。但是座椅出舱过程是一个复杂的过程，座椅的运动既有沿导轨方向的相对运动，又有随飞机的牵连运动，还有由于弹射筒的变形而产生的旋转运动[11]。在高速弹射时，人椅系统受到较大的气动载荷作用，弹射筒的变形可能更为明显。目前的仿真计算中未考虑弹射筒变形对座椅出舱过程的影响，并忽略了出舱过程人椅系统受到的气动载荷作用，从而可能导致仿真手段失真，甚至失效，所以有必要在深入研究座椅出舱过程动力学仿真的基础上，针对高速状态弹射，建立能反映弹射筒变形和气动载荷的动力学仿真模型，研究座椅出舱过程弹射筒的变形作用对座椅出舱姿态的影响规律。

本文首先对某型弹射座椅高速弹射时的不同出舱高度的气动载荷进行仿真计算，然后针对高速状态弹射建立能反映弹射筒变形的人-椅系统出舱过程刚柔耦合仿真模型，并施加弹射载荷和气动载荷，对人-椅系统出舱过程进行动力学仿真，得到出舱姿态参数以及弹射筒变形作用对座椅出舱姿态的影响规律，为弹射机构及座椅的设计改型提供参考。

1人-椅系统刚柔耦合模型建模

1.1人-椅系统刚柔耦合模型建立过程

利用ADAMS作为动力学仿真软件，人-椅系统刚柔耦合建模过程分成两步：（1）建立全刚体模型，通过动力学仿真检验模型的准确性；（2）建立刚柔耦合模型，将弹射机构（包括弹射内筒、外筒和滑轨）进行柔性化处理，进而建立刚柔耦合的动力学计算模型。

1.2多体系统动力学方程

1.3人-椅系统全刚体模型的建立

某型弹射座椅的结构比较复杂，因此需要对模型进行简化处理。模型简化时需要保证传力路径不发生变化、零件连接与实际情况一致和主结构的完整性[13]。在CATIA中对座椅模型进行合理的简化处理后，得到如图1所示座椅模型。将弹射座椅与假人模型装配，得到人-椅系统模型如图2所示。

建立人-椅系统全刚体动力学仿真模型，首先需要熟悉弹射座椅的结构特点，了解工作原理，明确各零件之间的连接关系。某型弹射座椅主要由椅盆组件、伞箱组件、椅背火箭和弹射机构组成。座椅通过弹射外筒上的上下挂点与飞机座舱相连，弹射筒通过滑轨组件与伞箱和椅盆相连。在紧急情况下，飞行员拉动应急手柄，启动弹射系统，座椅依靠弹射机构将飞行员、椅盆、伞箱和弹射内筒弹射出舱外。弹射机构为座椅主要的运动机构，某型弹射座椅的弹射机构三维模型如图3所示，包括滑轨、滑块、弹射筒和连接件，弹射筒采用二级弹射筒，包括内筒和外筒。启动弹射后，弹射筒中的燃料燃烧，产生弹射载荷推动人-椅系统向上运动，固定在弹射外筒上的4对滑块在弹射载荷的作用下沿着弹射轴线在滑槽内滑动，当弹射内、外筒完全分离时，4对滑块全部脱离滑轨，此时座椅完成弹射出舱过程。

在CATIA软件中完成人-椅系统的装配，将模型保存成PARASOLID格式导入ADAMS中。赋予各零件材料属性，某型座椅的弹射筒采用的是钛合金材料TC4，导轨间的滑块选用30CrMnSiA，其余零部件使用铝合金7A04-T6，材料属性见表1。根据实际的运动关系定义零部件之间的约束，弹射内筒和外筒之间、滑块和滑轨之间有相对滑动，因此4个滑块与左右滑轨之间定义接触约束，内外筒之間用平动副连接。将相邻两个材料相同且没有相对运动的零件进行连接操作，如人与座椅、椅背火箭与座椅、程控器与座椅、开伞器与座椅等各零件之间用固定副约束。

1.4人-椅系统刚柔耦合模型的建立

如何在人-椅系统全刚体模型基础上，将弹射机构（包括弹射内筒、外筒和滑轨）进行柔性化处理，是建立刚柔耦合的动力学计算模型的关键。

在ADAMS中，有三种建立柔性体的方法[14]：（1）利用ADAMS中的柔性梁连接，将刚体进行离散，用柔性梁连接离散后的刚体，这种方法适用于简单构件；（2）利用软件中的柔性模块Auto-Flex建立柔性体，这种方法可以生成真正的柔性體，但是ADAMS中自带网格划分的功能较差；（3）在其他有限元软件中对构件进行模态分析，然后将计算的模态保存为模态中性文件MNF，读取到ADAMS中建立柔性体。

前两种方法所建立的柔性体网格比较粗糙、计算精度低、创建过程容易出错，而有限元软件功能强大，可以对复杂零部件进行模态分析生成模态中性文件[15]，因此本文弹射筒及滑轨柔性化选择第（3）种方法，先利用有限元软件PATRAN计算弹射内筒、弹射外筒和滑轨的模态中性文件， PATRAN中计算模态中性文件流程如图4所示；然后将全刚体模型和包含构件模态信息的模态中性文件导入ADAMS中，创建柔性体。重新定义柔性体和其他零件之间的约束关系，完成人-椅系统刚柔耦合模型的创建。

2人-椅系统出舱过程中气动载荷的计算

2.1计算工况

由于在出舱过程中，人-椅系统的迎风面积不断变化。因此为了计算座椅出舱过程中的气动载荷，将某型火箭弹射座椅人-椅系统出舱过程根据出舱高度分为4个状态，分别计算4个状态的气动载荷。将前机身与人-椅系统组合，4个不同高度对应的状态如图5所示。4个工况对应的座椅行程说明如下：工况1：某型火箭弹射座椅滑轨脱离弹射筒外筒第二对滑块，人-椅系统出舱335mm。工况2：某型火箭弹射座椅滑轨脱离弹射筒外筒第三对滑块，人-椅系统出舱692mm。工况3：某型火箭弹射座椅滑轨脱离弹射筒外筒第四对滑块，人-椅系统出舱976mm。工况4：某型火箭弹射座椅弹射筒内筒与外筒脱离，某型火箭弹射座椅人-椅系统出舱高度为1660mm。

2.2计算条件

计算时流场介质为海平面大气环境，来流与飞机航向相反，相对于某型火箭弹射座椅人-椅系统来流迎角为22°、侧滑角为0°，速度为1100km/h。

将设计系统提供的座椅模型在三维软件中经过适当简化，并与假人、飞机前机身模型组合，导入前处理软件中，在人-椅-机身系统周围建立流场域并进行网格划分。鉴于研究模型比较复杂，采用四面体非结构计算网格，边界层采用棱柱网格，以实现对边界层流场信息的捕捉。最终划分的网格在900万左右，以工况2为例，人-椅-机身系统对称面网格、表面网格如图6所示。将某型火箭弹射座椅的非结构网格文件导入CFD软件Fluent中，采用基于密度的隐式、稳态求解，流体材料设置为海平面标准大气，人-椅系统表面设置为无滑移壁面边界条件，湍流模型选择Spalart-Allmaras方程模型，流场外边界设置为压力远场，离散格式为二阶迎风格式。对各状态计算模型外流场进行数值模拟。

2.3各工况人-椅系统受力

在后处理中对火箭弹射座椅4个状态人-椅系统表面压力进行积分，获取体轴坐标系中所受气动载荷（见表2），各工况的气动载荷作用位置见表3。

3弹射载荷及气动载荷的施加方法

在ADAMS中利用STEP5函数给弹射筒上施加弹射载荷，根据弹射筒载荷曲线可编写出弹射载荷STEP5函数。ADAMS中弹射载荷函数如下，弹射载荷曲线如图7所示。

STEP5（time， 0.0， 0.0， 6.0E-003， 15200.0）+STEP5（time， 6.0E-003， 0.0， 0.015， -4600.0） +STEP5（time， 0.015， 0.0， 0.045， 4300.0）+STEP5（time， 0.045， 0.0， 0.1，-600.0）+STEP5（time， 0.1， 0.0， 0.175， 700.0）+STEP5（time， 0.175， 0.0， 0.225，-1267.0）+STEP5（time， 0.225， 0.0， 0.251， -12266.0）+STEP5（time， 0.251， 0.0， 0.3， -1120.0）。

出舱过程中，气动载荷的大小、方向和作用点随着人-椅出舱行程不断变化。为了近似计算整个出舱过程的气动载荷，将出舱过程根据不同出舱高度分为4个阶段。从表2和表3可知，4个阶段人-椅系统分别受到大小和作用点均不相同的气动载荷。因此在ADAMS中，根据人-椅系统实时的气动载荷大小和作用位置，通过定义全局变量和插值函数的方法分别将气动载荷施加到人-椅系统的相应位置处。ADAMS中模拟的出舱过程气动载荷曲线如图8所示。出舱过程第一阶段的气动载荷函数如下所示：

4动力学仿真及运动参数对比分析

4.1弹射筒变形分析

座椅的弹射机构在动载荷的作用下会产生变形，尤其是跟随人-椅系统一起弹射出舱的弹射内筒的变形，将影响人-椅系统出舱过程中的姿态。为了更直观地观察座椅的出舱姿态变化，在ADMAS中截取仿真中得到的人-椅系统出舱过程三个特殊位置的姿态，如图9所示。在ADAMS/ View中加载Durablity，通过ADAMS后处理模块，查看仿真过程中弹射内筒的应力及变形云图，找到弹射内筒变形最大节点，并绘制该节点的变形时间历程曲线。

由图9可知，第三幅图中红线为初始弹射轴线，座椅启动弹射时，滑块沿着初始弹射轴线在滑槽中滑动。随着弹射行程的增加，跟随人-椅系统一起运动的弹射内筒与固定于座舱的弹射外筒形成一个“悬臂”结构[4]，在弹射载荷和气动载荷的共同作用下，弹射内筒产生变形，使得人-椅系统偏离初始轴线一定的角度，座椅出舱姿态发生改变。由图10～图12可知，仿真过程中，在0.176s即内外筒分离时刻弹射内筒的应力值达到最大，为445.809MPa，低于其材料强度极限，满足强度设计要求；变形最大的节点位于弹射内筒根部位置，且变形最大节点的x方向的变形量为4.95mm，y方向的变形为0.21mm，z方向的变形量为1.15mm，x方向即航向的变形量最大，弹射筒航向的变形将导致座椅的俯仰角增大。弹射内筒应力最大10节点信息见表4。

4.2运动参数对比分析

座椅弹射出舱过程中，速度、加速度、角速度、角加速度和姿态角是影响座椅弹射是否成功的重要参数。为了更好地说明高速弹射时座椅出舱过程中弹射筒变形作用对弹射出舱姿态的影响，分别对比以下两种情况的运动参数：（1）全刚体模型得到的出舱过程运动参数；（2）考虑弹射筒变形作用的刚柔耦合模型仿真得到的出舱过程运动参数。图13～图17分别是刚性模型和刚柔耦合模型的人-椅系统质心的速度、加速度、角速度、角加速度和俯仰角变化曲线对比图。

由图13～图17可知，高速状态弹射考虑气动载荷作用，座椅出舱过程弹射筒的变形对座椅出舱时间不会产生明显的影响，对速度、加速度、角速度和角加速度均有不同程度的影响。其中刚柔耦合模型的速度、加速度均在一个阶段后大于刚性模型的，造成这种情况的原因是随着弹射行程的增加，人-椅系统暴露在空气中的面积越来越大，气动载荷逐渐增大，使得人-椅系统的加速度也逐渐增大，这与速度的曲线变化相一致。刚性模型的角速度和角加速度几乎为零，而刚柔耦合模型较刚性模型具有较大的角速度和角加速度，造成这种情况的主要原因是出舱过程中弹射载荷和气动载荷的作用导致内外筒承受一定的弯矩，从而使弹射筒产生了变形，最终使人-椅系统获得一定的角速度和角加速度。由图17可知，弹射载荷和气动载荷作用对座椅出舱过程的俯仰角有较大的影响。这是因为在高速弹射时，人-椅系统受到的气动载荷作用大于人-椅系统的惯性载荷作用，使得人-椅系统具有“抬头”力矩，即人-椅系统逆时针旋转2.46°。上述对比结果说明，刚柔耦合模型描述的构件的运动特性更加准确真实。

5结论

本文计算了弹射座椅在高速弹射时出舱过程的气动载荷，并建立了可以反映弹射筒变形和气动载荷的弹射座椅出舱过程动力学仿真模型。刚性模型和刚柔耦合模型的仿真对比结果表明：

（1）座椅出舱过程中，弹射筒在弹射载荷和气动载荷作用下产生的变形会影响座椅的出舱姿态。

（2）在内外筒分离时，弹射筒的变形会使得座椅具有较大的角速度和角加速度，并使座椅以更大的俯仰角进入气流中。

（3）建立的座椅出舱过程刚柔耦合仿真模型较刚性模型更符合实际情况，能准确地反映座椅出舱过程动力學特性。

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（责任编辑王为）

作者简介

周昊（1972-）男，硕士，研究员。主要研究方向：弹射救生技术研究。

Tel：13871674538

E-mail：zhouhao9192@163.com

杨永锋（1981-）男，博士，副教授。主要研究方向：转子动力学。

Research on Ejection Attitude of Ejection Seat Based on ADAMS

Zhou Hao1，*，Song Yali2，Feng Zhijie1，Yang Yongfeng2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Life-Support Technology，AVIC Aerospace Life-Support Industries，LTD.，Xiangyang 441000，China

2. Northwestern Polytechnic University，Xian 710072，China

Abstract： The ejection stage of the seat is used as the initial stage of the entire ejection life-saving process. Accurately obtaining the exit attitude parameters of the ejection seat is very important for the development of the ejection seat. It is the key and prerequisite for the seat to perform attitude control and improve the lifesaving performance. This paper takes a certain type of ejection seat as the research object， the aerodynamic loads of this seat in the process of ejection at high speed is calculated， hence， for the high-speed ejection， the rigid-flexible coupling simulation model of the ejection seat is established during the ejection process， which fully considers the influence of the aerodynamic loads and the deformation of the ejection gun. Through simulations， the influence of the deformation of the ejection gun on the ejection attitude parameters and the attitude of ejection seat are obtained. This research provides methods and means for the analysis， evaluation and improved design of in-service and in-research aircraft ejection life-saving systems， and effectively improves the analysis and design level of ejection life-saving systems.

Key Words： ejection seat； rigid-flexible coupling； aerodynamic load； dynamics simulation； ejection attitude