负过载下某型弹射手柄材料偏硬对飞行安全的影响分析

    吴晓君  李  涛  代警卫

    (中国人民解放军海军驻襄樊地区航空军事代表室  湖北  襄阳441003)

    【摘  要】某型引俄弹射手柄国产化后材料偏硬，在负过载飞行过程中，由于飞行员双腿与手柄之间的干涉，存在座椅意外弹射的可能．本文通过建模计算结果与现场实测数据的分析对比，理论上否定了此可能性的存在，克服了采用试验验证的困难。

    【关键词】弹射座椅；手柄：负过载；安全性

0  引言

    某型火箭弹射座椅自国产化以来．弹射手柄与俄制件相比．一直存在聚氯酯材料偏硬且难以弯曲收缩的问题，该问题直接影响到飞机的飞行安全性及飞行员的乘坐舒适性，尤其是在飞机机动下沉或倒飞的负过载条件下．由于飞行员双腿与手柄下端存在直接接触．可能出现意外带出手柄致使座椅弹射启动的情况．对飞行安全将造成严重威胁．而对于材料相对偏软的俄制件，负过载下当双腿夹手柄时，手柄能够向航向方向弯曲收缩避免该情况．在试验验证较难实现的情况下，本文将运用数学建模的方法对负过载下该型手柄材料偏硬对飞行安全的影响进行理论分析．

1  建立三轴坐标系

    建立空间坐标系是数学建模的基础．为便于分析计算．选取座椅坐标系XYZ和手柄坐标系XIY121，其中座椅坐标系原点选在弹射手柄支点，而非广义上的座椅重心．

    座椅坐标系XYZ：选取弹射手柄支点为坐标系原点。X轴为飞机航向，沿航向为正：Y轴水平垂直于X轴；Z轴为过载方向，向下为正。

    手柄坐标系XIY121:选取弹射手柄支点为坐标系原点Zl轴沿手柄方向，向下为正：Yl轴与座椅坐标系中Y轴方向相同，Xl轴与Zl轴垂直，方向沿航向为正，但与航向存在一定夹角d。

2数学建模

    根据实际飞行员乘坐及飞行条件．为方便计算从工程上对数学模型进行适当简化：1）在不考虑手柄弯曲变形时将整个手柄考虑为一刚性件，将其外形结构近似为等腰三角形，但考虑两个分手柄之间存在夹角这一情况；2）将负过载a考虑为一线性变化量值，即a=ng，n为过载系数，忽略其中的非线性变化：3）在分析过程中，始终考虑人椅系统为一相对静止物体：4）由于手柄为塑性较光滑材料，着装后人体大腿形状相对较为圆滑，忽略相互之间的摩擦力．

    弹射手柄由两个分手柄组成，分手柄之间存在^，角度。负过载情况下，手柄主要受到因双腿夹紧产生的拉出力和导致其弯曲收缩的弯曲力．这两个力同时存在，且在一定范围内呈正比例关系，随着拉出力的增大，弯曲力同时也在增大，若弯曲力还未寻致手柄弯曲但手柄已经向上拉出，则将对飞行安全造成严重影响：但若弯曲力达到能使手柄弯曲的程度而手柄未被拉出．则手柄不会被飞行员双腿夹紧产生的拉出力拉出，即对飞行安全没有影响：由于这两个力实际作用方向正好垂直，为分析方便，在下面的数学建模过程中，对这两个力分布进行单独分析，最后进行综合论证，得到结果．

2 l手柄拉出力模型分析

    图1为手柄在座椅坐标系xz轴方向的投影受力平面图．F为负过载条件下人双腿对弹射手柄产生的反作用力．方向沿重力方向向上．Fl .F2为其分力．d为手柄投影与X轴夹角，，

根据牛顿第二定律，F=Ma．其中M为人体重量．a为负向过载．a=ng。根据图解受力分析,Fl=Masinc,F2=Macos,ce;Fl直接作用在手柄上，方向与手柄一致，决定手柄拉出程度：F2决定手柄弯曲程度．   

两个分手柄并不在同一平面上，相互之间存在一个^v角度，如图4所示．但由于两边手柄对称，于Yl轴方向力平衡消除．Zl方向的合力F5与该1角度并无关系，因此在分析过程中未对其进行考虑。但在下面分析拉弯力时就必须做出分析．

2.2手柄拉弯力计算分析

    如图1分析．F2直接作用在手柄上．方向为手柄坐标系Xl轴方向，决定手柄弯曲程度、但由于分手柄之间叫角度的存在，实际上真正的手柄弯曲力是F2的一个分力，即F7，如图5所示，图中V字形为手柄在XIY1平面的投影．

3数值计算分析

3.1  手柄拉出力数值计算

    假设飞行员为大重量条件下飞行员，M =81.5kg，a=ng(n取1，2，3)，在飞行员着装飞行时，可以近似考虑手柄与座椅椅背在同一平行线上，即Ⅸ近似为座椅安装角17度；B为120度（通过量角器对照1:1图纸测量得到）。

  则F5=Masincts,.~-,,,,s(90一争)

    =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手柄弯曲力数值计算

    假设飞行员为大重量条件下飞行员，M=81.5kg，a=ng，d近似为座椅安装角；叫经现场测量为120度。

  则F7= Fsin手=Macosce*l/2*s,n手

4分析

某型弹射手柄的拉出力范围为23～28kgf。通过现场实际测量，对两个分手柄下端中间位置各固定铁丝，采用300kgf弹簧称施加外力，经测试，70kgf拉力已经开始导致手柄弯曲变形，80kgf变形明显，1 lOkgf时手柄能够完全收拢．根据试验时的拉力方向和作用点，实际上模拟的是负过载情况下的作用力F2．若考虑负过载为1．即系数n=1．则F2=81.5 *9.8 *0.956=763.6N (77.92kgf)，即当负过载为1时，手柄已开始弯曲变形．但此时对应的手柄拉力F5=175.085N．远小于技术要求中的最小拉出力225.4N(23kgf)。说明手柄未被拉动既已出现弯曲收缩。考虑到手柄在80kgf时已变形明显，将拉出力设为F2=80kgf，此时对应的负过载系数为n =1.0267．手柄拉出力F5 =179.76N(18.34kgf)，小于将手柄拉出的最小力23kgf。然而实际使用中，还应考虑手柄与飞行员双腿之间的摩擦力．根据相互间的运动关系．可以判断弹射手柄所受的摩擦力方向应是沿分手柄下沿向上．孝虑摩擦力．则手柄弯曲力应比现在的F2还要大.  

为了方便，以上分析将拉出力和弯曲力分别考虑，但在实际中，分析负过载时某型弹射手柄材料偏硬对飞行安全的影响．必须综合考虑手柄受力时的拉出力和弯曲力，毕竟手柄不是一个完全刚体．存在受力变形的影响，，因此，负过载条件下，手柄在拉出过程中若存在弯曲收缩变形．将造成飞行员双腿对手柄拉出无受力支点．即拉出力在一定范围正比例增加后呈极速减小的情况．因此将不会造成意外弹射启动：但若拉出力达到手柄意外弹射启动所规定的要求后(23～28kgf)，手柄仍未出现受力变形，则将会造成意外弹射。通过以上分析可知，随着负过载增大，手柄弯曲程度逐渐明显，此时虽然F5增大，但由于手柄已经弯曲．F5将逐渐失去受力作用点，呈急速减小的趋势，最终将失去作用点而无法推动手柄向上运动．

5结论

    通过对建模计算结果与现场实测数据的理论分析．手柄材料偏硬不会造成座椅意外弹射启动。，为保证该型弹射座椅的可靠性，需要从试验角度对该问题作进一步分析研究．同时考虑到飞行员的乘坐舒适性．可以将使用硬度偏软的聚氨酯材料制造手柄的可行性作为进一步研究的方向