吳曉君  李  濤  代警衛(wèi)

    (中國人民解放軍海軍駐襄樊地區(qū)航空軍事代表室  湖北  襄陽441003)

    【摘  要】某型引俄彈射手柄國產(chǎn)化后材料偏硬，在負(fù)過載飛行過程中，由于飛行員雙腿與手柄之間的干涉，存在座椅意外彈射的可能．本文通過建模計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析對比，理論上否定了此可能性的存在，克服了采用試驗驗證的困難。

    【關(guān)鍵詞】彈射座椅；手柄：負(fù)過載；安全性

0  引言

    某型火箭彈射座椅自國產(chǎn)化以來．彈射手柄與俄制件相比．一直存在聚氯酯材料偏硬且難以彎曲收縮的問題，該問題直接影響到飛機的飛行安全性及飛行員的乘坐舒適性，尤其是在飛機機動下沉或倒飛的負(fù)過載條件下．由于飛行員雙腿與手柄下端存在直接接觸．可能出現(xiàn)意外帶出手柄致使座椅彈射啟動的情況．對飛行安全將造成嚴(yán)重威脅．而對于材料相對偏軟的俄制件，負(fù)過載下當(dāng)雙腿夾手柄時，手柄能夠向航向方向彎曲收縮避免該情況．在試驗驗證較難實現(xiàn)的情況下，本文將運用數(shù)學(xué)建模的方法對負(fù)過載下該型手柄材料偏硬對飛行安全的影響進行理論分析．

1  建立三軸坐標(biāo)系

    建立空間坐標(biāo)系是數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)．為便于分析計算．選取座椅坐標(biāo)系XYZ和手柄坐標(biāo)系XIY121，其中座椅坐標(biāo)系原點選在彈射手柄支點，而非廣義上的座椅重心．

    座椅坐標(biāo)系XYZ：選取彈射手柄支點為坐標(biāo)系原點。X軸為飛機航向，沿航向為正：Y軸水平垂直于X軸；Z軸為過載方向，向下為正。

    手柄坐標(biāo)系XIY121:選取彈射手柄支點為坐標(biāo)系原點Zl軸沿手柄方向，向下為正：Yl軸與座椅坐標(biāo)系中Y軸方向相同，Xl軸與Zl軸垂直，方向沿航向為正，但與航向存在一定夾角d。

2數(shù)學(xué)建模

    根據(jù)實際飛行員乘坐及飛行條件．為方便計算從工程上對數(shù)學(xué)模型進行適當(dāng)簡化：1）在不考慮手柄彎曲變形時將整個手柄考慮為一剛性件，將其外形結(jié)構(gòu)近似為等腰三角形，但考慮兩個分手柄之間存在夾角這一情況；2）將負(fù)過載a考慮為一線性變化量值，即a=ng，n為過載系數(shù)，忽略其中的非線性變化：3）在分析過程中，始終考慮人椅系統(tǒng)為一相對靜止物體：4）由于手柄為塑性較光滑材料，著裝后人體大腿形狀相對較為圓滑，忽略相互之間的摩擦力．

    彈射手柄由兩個分手柄組成，分手柄之間存在^，角度。負(fù)過載情況下，手柄主要受到因雙腿夾緊產(chǎn)生的拉出力和導(dǎo)致其彎曲收縮的彎曲力．這兩個力同時存在，且在一定范圍內(nèi)呈正比例關(guān)系，隨著拉出力的增大，彎曲力同時也在增大，若彎曲力還未尋致手柄彎曲但手柄已經(jīng)向上拉出，則將對飛行安全造成嚴(yán)重影響：但若彎曲力達(dá)到能使手柄彎曲的程度而手柄未被拉出．則手柄不會被飛行員雙腿夾緊產(chǎn)生的拉出力拉出，即對飛行安全沒有影響：由于這兩個力實際作用方向正好垂直，為分析方便，在下面的數(shù)學(xué)建模過程中，對這兩個力分布進行單獨分析，最后進行綜合論證，得到結(jié)果．

2 l手柄拉出力模型分析

    圖1為手柄在座椅坐標(biāo)系xz軸方向的投影受力平面圖．F為負(fù)過載條件下人雙腿對彈射手柄產(chǎn)生的反作用力．方向沿重力方向向上．Fl .F2為其分力．d為手柄投影與X軸夾角，，

根據(jù)牛頓第二定律，F=Ma．其中M為人體重量．a為負(fù)向過載．a=ng。根據(jù)圖解受力分析,Fl=Masinc,F2=Macos,ce;Fl直接作用在手柄上，方向與手柄一致，決定手柄拉出程度：F2決定手柄彎曲程度．   

兩個分手柄并不在同一平面上，相互之間存在一個^v角度，如圖4所示．但由于兩邊手柄對稱，于Yl軸方向力平衡消除．Zl方向的合力F5與該1角度并無關(guān)系，因此在分析過程中未對其進行考慮。但在下面分析拉彎力時就必須做出分析．

2.2手柄拉彎力計算分析

    如圖1分析．F2直接作用在手柄上．方向為手柄坐標(biāo)系Xl軸方向，決定手柄彎曲程度、但由于分手柄之間叫角度的存在，實際上真正的手柄彎曲力是F2的一個分力，即F7，如圖5所示，圖中V字形為手柄在XIY1平面的投影．

3數(shù)值計算分析

3.1  手柄拉出力數(shù)值計算

    假設(shè)飛行員為大重量條件下飛行員，M =81.5kg，a=ng(n取1，2，3)，在飛行員著裝飛行時，可以近似考慮手柄與座椅椅背在同一平行線上，即Ⅸ近似為座椅安裝角17度；B為120度（通過量角器對照1:1圖紙測量得到）。

  則F5=Masincts,.~-,,,,s(90一爭)

    =8 1.5*n*9.8*sin17*sin60*r,os30

    81.5*n*9.8*0.2923*0.866*0.866=175.085n N(n=l,2,3)

3.2手柄彎曲力數(shù)值計算

    假設(shè)飛行員為大重量條件下飛行員，M=81.5kg，a=ng，d近似為座椅安裝角；叫經(jīng)現(xiàn)場測量為120度。

  則F7= Fsin手=Macosce*l/2*s,n手

4分析

某型彈射手柄的拉出力范圍為23～28kgf。通過現(xiàn)場實際測量，對兩個分手柄下端中間位置各固定鐵絲，采用300kgf彈簧稱施加外力，經(jīng)測試，70kgf拉力已經(jīng)開始導(dǎo)致手柄彎曲變形，80kgf變形明顯，1 lOkgf時手柄能夠完全收攏．根據(jù)試驗時的拉力方向和作用點，實際上模擬的是負(fù)過載情況下的作用力F2．若考慮負(fù)過載為1．即系數(shù)n=1．則F2=81.5 *9.8 *0.956=763.6N (77.92kgf)，即當(dāng)負(fù)過載為1時，手柄已開始彎曲變形．但此時對應(yīng)的手柄拉力F5=175.085N．遠(yuǎn)小于技術(shù)要求中的最小拉出力225.4N(23kgf)。說明手柄未被拉動既已出現(xiàn)彎曲收縮。考慮到手柄在80kgf時已變形明顯，將拉出力設(shè)為F2=80kgf，此時對應(yīng)的負(fù)過載系數(shù)為n =1.0267．手柄拉出力F5 =179.76N(18.34kgf)，小于將手柄拉出的最小力23kgf。然而實際使用中，還應(yīng)考慮手柄與飛行員雙腿之間的摩擦力．根據(jù)相互間的運動關(guān)系．可以判斷彈射手柄所受的摩擦力方向應(yīng)是沿分手柄下沿向上．孝慮摩擦力．則手柄彎曲力應(yīng)比現(xiàn)在的F2還要大.  

為了方便，以上分析將拉出力和彎曲力分別考慮，但在實際中，分析負(fù)過載時某型彈射手柄材料偏硬對飛行安全的影響．必須綜合考慮手柄受力時的拉出力和彎曲力，畢竟手柄不是一個完全剛體．存在受力變形的影響，，因此，負(fù)過載條件下，手柄在拉出過程中若存在彎曲收縮變形．將造成飛行員雙腿對手柄拉出無受力支點．即拉出力在一定范圍正比例增加后呈極速減小的情況．因此將不會造成意外彈射啟動：但若拉出力達(dá)到手柄意外彈射啟動所規(guī)定的要求后(23～28kgf)，手柄仍未出現(xiàn)受力變形，則將會造成意外彈射。通過以上分析可知，隨著負(fù)過載增大，手柄彎曲程度逐漸明顯，此時雖然F5增大，但由于手柄已經(jīng)彎曲．F5將逐漸失去受力作用點，呈急速減小的趨勢，最終將失去作用點而無法推動手柄向上運動．

5結(jié)論

    通過對建模計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的理論分析．手柄材料偏硬不會造成座椅意外彈射啟動。，為保證該型彈射座椅的可靠性，需要從試驗角度對該問題作進一步分析研究．同時考慮到飛行員的乘坐舒適性．可以將使用硬度偏軟的聚氨酯材料制造手柄的可行性作為進一步研究的方向