CN109543297A - 一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空弹射救生技术领域，涉及一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，本方法首先将弹射座椅风洞试验气动数据与计算流体力学(CFD)方法计算气动数据进行对比分析，适时对CFD仿真方法进行修正完善，确保CFD仿真方法的工程合理性，再根据弹射座椅仿真分析需求将分析模型确定为三种，并按仿真分析需求的工况进行CFD仿真计算，最后对计算结果进行多元数据回归分析，从而得到飞机机身对弹射座椅(无支架)干扰情况下的气动数据修正结果。本发明既能够指导弹射座椅风洞试验方案设计，又能得到飞机机身对弹射座椅基于风洞试验的气动干扰数据，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，为提高弹射救生成功率，保障飞行员的救生安全提供技术保证。
Description
技术领域
本发明属于航空弹射救生技术领域，涉及一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法。
背景技术
飞机弹射救生系统是为飞行员提供的应急离机装置，在飞机出现无法挽回的状况时保证飞行员安全离机。随着飞机飞行性能的提高，低空不利姿态条件下弹射的概率越来越大，对弹射座椅技术性能的要求也越来越高。GJB1800A《弹射座椅型乘员应急离机救生系统通用规范》对弹射座椅性能规定了120种状态的考核指标，这120种状态绝大部分是不利飞行状态，现有条件无法完成试验验证。因此工程中采用了仿真验证的手段，就是通过数值仿真的方法，对各种不利飞行状态进行弹射座椅运动仿真模拟，以验证其固有性能，达到考核目的。
弹射座椅(亦指飞行员与弹射座椅组合构成的人-椅系统)的空中运动情况，取决于其所受到的作用力。弹射座椅受到的气动力是其受力的重要组成部分，气动力是重要且复杂的作用力。弹射座椅在流场速度已定情况下受到的气动力是由其气动外形决定的。要求解气动力，需首先摸清弹射座椅的气动特征，通常采用风洞试验的方法获得。因此，风洞试验成为每个型号座椅必须进行的试验项目。
弹射座椅进行的风洞试验，通常分为低速风洞试验和高速风洞试验。低速风洞试验采用1:1实物模型，高速风洞试验采用缩比(如1:5)模型。无论是低速风洞试验还是高速风洞试验，均需要用支架将试验模型支撑在流场中，并实现各种工况的连续变化，以获得各种工况下的气动特征。弹射座椅真实弹射运动时，是没有支架存在的，在风洞试验数据应用过程中，需要扣除支架对弹射座椅的气动干扰影响。
另外，由于受风洞试验条件(如风洞尺寸、试验速度等)限制，弹射座椅所有风洞试验模型均未包含飞机机身的影响。在风洞试验数据应用过程中，需要增加飞机机身对弹射座椅的气动干扰影响。
通过本发明得到的基于风洞试验的飞机机身对弹射座椅气动干扰数据，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，为提高弹射救生成功率，保障飞行员的救生安全提供技术保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，以解决弹射座椅风洞试验数据未能真实反映其气动特征的问题。
本发明的技术方案是：飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法包括如下步骤：
步骤一：分析弹射座椅各工况下风洞试验数据的变化规律及数据量级，该数据对应弹射座椅风洞试验真实状况(未能模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，但却包含了实际弹射状况下没有的支架)，包括用攻角和侧滑角描述的试验工况及对应工况下六自由度气动力分量数据；
步骤二:根据弹射座椅风洞试验的模型和工况进行相应的CFD仿真，并将CFD仿真数据与风洞试验数据进行比对分析，将各工况、六自由度中各单一自由度气动数据构成的动态数据变化趋势及量级作为评判标准对CFD仿真数据进行评判，适时对CFD仿真方法进行反馈与修正，直至CFD仿真结果与风洞试验结果的动态数据变化趋势及量级相符，保证CFD仿真方法的工程合理性；
步骤三：分析弹射座椅仿真需求，设计三种仿真模型：模型A、模型B和模型C，模型A为座椅和支架模型、模型B为座椅模型和模型C为座椅和机身模型；
步骤四：根据弹射座椅仿真需求，确定仿真分析工况所需的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，其中，飞行速度V＝250km/h～1300km/h，攻角α＝0°～360°，侧滑角β＝0°～180°。再根据工程实际确定这些参数的具体取值，其中，飞行速度共按250km/h、450km/h、850km/h、1000km/h、1300km/h取值；攻角α＝0°～90°时，Δα＝10°，攻角α＝90°～270°时，Δα＝20°，攻角α＝270°～360°时，Δα＝10°；侧滑角β＝0°～50°时，Δβ＝5°，侧滑角β＝50°～90°时，Δβ＝10°，侧滑角β＝90°～180°时，Δβ＝15°；
步骤五：采用步骤二确定的CFD仿真方法，按步骤四确定的仿真分析工况进行三种模型的CFD仿真计算，形成三种仿真模型在步骤四所述工况下的CFD仿真数据；
步骤六：对A、B二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到从座椅+支架模型中扣除支架干扰的修正方法，对B、C二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到在座椅模型基础上增加机身干扰的修正方法；
步骤七：将步骤六确定的扣除支架干扰的修正方法应用于风洞试验数据，得到扣除支架干扰后的风洞试验数据；
步骤八：将步骤六确定的增加机身干扰的修正方法应用于步骤七所得的风洞试验数据，得到扣除支架干扰并增加机身干扰的风洞试验数据。
进一步的，步骤一所述弹射座椅风洞试验真实状态，是由于受风洞试验现有条件的局限，无法模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，却始终包含了实际弹射状况下没有的对试验模型起支撑作用的支架。
进一步的，步骤二所述CFD仿真方法，是对处于流场中物体进行气动特性数值模拟的通用方法。
进一步的，步骤二所述CFD仿真修正方法，是结合弹射座椅真实风洞试验数据进行数据拟合分析后的工程方法。
进一步的，步骤三所述的三种模型，是为了满足仿真需要并在工程中能够获得的模型，其中座椅+机身模型包括了弹射座椅在不同弹射行程(与飞机机身距离及相对姿态不同)的情况。
进一步的，步骤四所确定的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，是按照既能满足仿真需求，又能节省计算资源、缩短研究周期的原则确定的。
进一步的，步骤五所述CFD仿真数据，是A、B、C三种模型对应于步骤四中飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围进行组合所包括的各种工况。
进一步的，步骤六所述计算数据回归分析方法，包括指线性回归分析方法或非线性拟合方法(基于最小二乘法的迭代方法等)。
本发明具有的优点和有益效果：
本发明设计了一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，有利于探索弹射座椅固有技术性能，达到用仿真手段进行弹射座椅性能指标考核的目的。本发明基于弹射座椅的风洞试验(无飞机机身干扰，有支架干扰)气动数据，设计了一种在飞机机身干扰情况下对其气动数据进行修正的设计方法，以达到提高弹射座椅综合性能仿真精度的目的。该方法首先将弹射座椅风洞试验气动数据与计算流体力学(CFD)方法所得计算气动数据进行对比分析，适时对CFD仿真方法进行修正，确保CFD仿真方法的工程合理性，再根据弹射座椅仿真分析需求将分析模型确定为三种(座椅+支架模型、座椅模型、座椅+机身模型)，并按仿真分析需求的工况进行三种模型状态下的CFD仿真计算，最后对三种模型在各仿真工况下的计算结果进行多元数据回归分析，从而得到飞机机身对弹射座椅(无支架)干扰情况下的气动数据修正结果。
本发明相对于现有弹射座椅风洞试验数据应用情况，既扣除了风洞试验支架对弹射座椅的气动干扰，又增加了飞机机身对弹射座椅的气动干扰，使弹射座椅风洞试验数据更加准确的反映了其气动特征。
本发明易于推广应用，可直接应用于在研及新研型号弹射座椅，既能够指导弹射座椅风洞试验方案设计，又能得到基于风洞试验的飞机机身对弹射座椅气动干扰数据，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，为提高弹射救生成功率，保障飞行员的救生安全提供技术支撑，对增强飞行员信心和战斗力具有重要军事意义。
附图说明
图1是本发明实施例的工作原理图。其中：
风洞试验数据变化规律是指弹射座椅六自由度中每一个气动特征随用攻角和侧滑角表征的姿态范围变化的规律，该变化规律可直观地评价弹射座椅的静稳定区。
弹射座椅在风洞试验各工况下的CFD仿真，是严格按弹射座椅风洞试验的工况，进行弹射座椅CFD仿真，其目的是方便进行风洞试验数据与CFD仿真数据的对比分析。
风洞试验数据与CFD仿真数据的对比分析，是分别对弹射座椅六自由度中每一个气动特征随用攻角和侧滑角表征的姿态范围变化的规律进行对比分析，其目的是为CFD仿真结果进行评判和对CFD仿真方法进行修正提供依据。
CFD仿真结果的合理性判定，根据与风洞试验数据在变化规律、静稳定区、数据量级等方面的吻合度作为评判标准。
根据座椅仿真分析需求，确定分析模型和分析工况，是以满足GJB1800A和型号座椅工程研制的需求作为基本原则。
三种仿真模型中，座椅模型针对具体型号座椅进行设计(单个模型)，座椅+支架模型需结合风洞试验所使用的支架进行设计(单个模型)，座椅+机身模型需针对具体型号座椅和配装的飞机机身进行设计，并需考虑弹射座椅在不同弹射行程(与飞机机身距离及相对姿态不同)的情况(多个模型)。
多元数据回归分析，指线性回归分析方法或非线性拟合方法(基于最小二乘法的迭代方法等)。
机身及支架干扰修正方法，是先对A、B二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到从座椅+支架模型中扣除支架干扰的修正方法，再对B、C二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到在座椅模型基础上增加机身干扰的修正方法；
机身对座椅(无支架)干扰情况下的气动修正结果，是先将扣除支架干扰的修正方法应用于风洞试验数据，得到扣除支架干扰后的风洞试验数据；再将增加机身干扰的修正方法应用于已扣除支架干扰后所得的风洞试验数据，得到扣除支架干扰并增加机身干扰的风洞试验数据。该数据即反映了弹射座椅在真实弹射状况下的气动特征。
具体实施方式
通过本发明的技术方法，得到基于弹射座椅的风洞试验(无飞机机身干扰，有支架干扰)气动数据的飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，能达到求解弹射座椅真实状况下气动特征、提高弹射座椅综合性能仿真精度的目的。该方法首先将弹射座椅风洞试验气动数据与计算流体力学(CFD)方法所得计算气动数据进行对比分析，适时对CFD仿真方法进行修正，确保CFD仿真方法的工程合理性，再根据弹射座椅仿真分析需求将分析模型确定为三种(座椅+支架模型、座椅模型、座椅+机身模型)，并按仿真分析需求的工况进行三种模型状态下的CFD仿真计算，最后对三种模型在各仿真工况下的计算结果进行多元数据回归分析，从而得到飞机机身对弹射座椅(无支架)干扰情况下的气动数据修正结果。
本发明相对于现有弹射座椅风洞试验数据应用情况，一方面扣除了风洞试验支架对弹射座椅的气动干扰，同时又增加了飞机机身对弹射座椅的气动干扰，使弹射座椅风洞试验数据更加准确的反映了其气动特征。本发明能有效提高弹射座椅运动仿真精度，为提高弹射救生成功率，保障飞行员的救生安全提供技术支撑。
飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法包括如下步骤：
步骤一：分析弹射座椅各工况下风洞试验数据的变化规律及数据量级，该数据对应弹射座椅风洞试验真实状态(没有模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，但却包含了实际弹射状况下没有的支架)，包括用攻角和侧滑角描述的试验工况及对应工况下六自由度气动力分量。弹射座椅风洞试验真实状态，是由于受风洞试验现有条件的局限，未能模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，却始终包含了实际弹射状况下没有的对试验模型起支撑作用的支架。
步骤二:根据弹射座椅风洞试验的模型和工况进行相应的CFD仿真，并将CFD仿真数据与风洞试验数据进行比对分析，将各工况、各单一自由度气动数据构成的动态数据变化趋势及量级作为评判标准对CFD仿真数据进行评判，适时对CFD仿真方法进行反馈与修正，直至CFD仿真结果与风洞试验结果的动态数据变化趋势及量级相符，保证CFD仿真方法的工程合理性。CFD仿真方法，是对处于流场中物体进行气动特性数值模拟的通用方法。CFD仿真修正方法，是结合弹射座椅真实风洞试验数据进行数据拟合分析后的工程方法。
步骤三：分析弹射座椅仿真分析需求，将仿真分析模型确定为模型A(座椅+支架)、模型B(座椅)和模型C(座椅+机身)共三种，并设计该三种仿真模型。三种仿真模型是为了满足仿真需要并在工程中能够获得的模型，其中座椅+机身模型包括了弹射座椅在不同弹射行程(与飞机机身距离及相对姿态不同)的情况。
步骤四：根据弹射座椅仿真需求，确定仿真分析工况所需的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，其中，飞行速度V＝0～1300km/h，攻角α＝0°～360°，侧滑角β＝0°～180°。再根据工程实际确定这些参数的变化步长，其中，飞行速度共按250km/h、450km/h、850km/h、1000km/h、1300km/h取值；攻角α＝0°～90°时，Δα＝10°，攻角α＝90°～270°时，Δα＝20°，攻角α＝270°～360°时，Δα＝10°；侧滑角β＝0°～50°时，Δβ＝5°，侧滑角β＝50°～90°时，Δβ＝10°，侧滑角β＝90°～180°时，Δβ＝15°。飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，是按照既能满足仿真需求，又能节省计算资源、缩短研究周期的原则确定的。
步骤五：采用步骤二确定的CFD仿真方法，按步骤四确定的仿真分析工况进行A、B、C三种模型的CFD仿真计算，形成三种仿真模型在步骤四所确定工况下的CFD仿真数据。CFD仿真数据，是A、B、C三种模型对应于步骤四中飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围进行组合所包括的各种工况。
步骤六：对A、B二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到从座椅+支架模型中扣除支架干扰的修正方法，对B、C二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到在座椅模型基础上增加机身干扰的修正方法。计算数据回归分析方法，包括指线性回归分析方法或非线性拟合方法(基于最小二乘法的迭代方法等)。
步骤七：将步骤六确定的扣除支架干扰的修正方法应用于风洞试验数据，得到扣除支架干扰后的风洞试验数据。
步骤八：将步骤六确定的增加机身干扰的修正方法应用于步骤七所得的风洞试验数据，得到扣除支架干扰并增加机身干扰的风洞试验数据。
根据图1所示的工作原理，本发明设计了一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，有利于探索弹射座椅固有技术性能，实现用仿真手段达到弹射座椅性能指标考核的目的。本发明基于弹射座椅的风洞试验(无飞机机身干扰，有支架干扰)气动数据，设计了一种在飞机机身干扰情况下对其气动数据进行修正的设计方法，以达到提高弹射座椅综合性能仿真精度的目的。该方法首先将弹射座椅风洞试验气动数据与计算流体力学(CFD)方法所得计算气动数据进行对比分析，适时对CFD仿真方法进行修正，确保CFD仿真方法的工程合理性，再根据弹射座椅仿真分析需求将分析模型确定为三种(座椅+支架模型、座椅模型、座椅+机身模型)，并按仿真分析需求的工况进行三种模型状态下的CFD仿真计算，最后对三种模型在各仿真工况下的计算结果进行多元数据回归分析，从而得到飞机机身对弹射座椅(无支架)干扰情况下的气动数据修正结果。本发明可直接应用于在研及新研型号弹射座椅，既能够指导弹射座椅风洞试验方案设计，又能得到基于风洞试验的飞机机身对弹射座椅气动干扰数据，能有效提高弹射座椅运动仿真精度，对提高弹射救生成功率，保障飞行员的救生安全具有重要军事意义。本发明相对于现有弹射座椅风洞试验数据应用情况，一方面扣除了风洞试验支架对弹射座椅的气动干扰，同时又增加了飞机机身对弹射座椅的气动干扰，使弹射座椅风洞试验数据更加准确的反映了其气动特征，其工作原理如下：
首先分析弹射座椅各工况下风洞试验数据的变化规律及数据量级，该数据对应弹射座椅风洞试验真实状态(没有模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，但却包含了实际弹射状况下没有的支架)，包括用攻角和侧滑角描述的试验工况及对应工况下六自由度气动力分量。弹射座椅风洞试验真实状态，是由于受风洞试验现有条件的局限，无法模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，却始终包含了实际弹射状况下没有的对试验模型起支撑作用的支架。其次根据弹射座椅风洞试验的模型和工况进行相应的CFD仿真，并将CFD仿真数据与风洞试验数据进行比对分析，将各工况、各单一自由度气动数据构成的动态数据变化趋势及量级作为评判标准对CFD仿真数据进行评判，适时对CFD仿真方法进行反馈与修正，直至CFD仿真结果与风洞试验结果的动态数据变化趋势及量级相符，保证CFD仿真方法的工程合理性。第三，分析弹射座椅仿真分析需求，将仿真分析模型确定为模型A(座椅+支架)、模型B(座椅)和模型C(座椅+机身)共三种，并设计该三种仿真模型。三种仿真模型是为了满足仿真需要并在工程中能够获得的模型，其中座椅+机身模型包括了弹射座椅在不同弹射行程(与飞机机身距离及相对姿态不同)的情况。第四，根据弹射座椅仿真需求，确定仿真分析工况所需的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，其中，飞行速度V＝0～1300km/h，攻角α＝0°～360°，侧滑角β＝0°～180°。再根据工程实际确定这些参数的变化步长，其中，飞行速度共按250km/h、450km/h、850km/h、1000km/h、1300km/h取值；攻角α＝0°～90°时，Δα＝10°，攻角α＝90°～270°时，Δα＝20°，攻角α＝270°～360°时，Δα＝10°；侧滑角β＝0°～50°时，Δβ＝5°，侧滑角β＝50°～90°时，Δβ＝10°，侧滑角β＝90°～180°时，Δβ＝15°。飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，是按照既能满足仿真需求，又能节省计算资源、缩短研究周期的原则确定的。第五，采用已确定的CFD仿真方法，按已定仿真分析工况进行A、B、C三种模型的CFD仿真计算，形成三种仿真模型的CFD仿真数据。第六，对A、B二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到从座椅+支架模型中扣除支架干扰的修正方法，对B、C二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到在座椅模型基础上增加机身干扰的修正方法。计算数据回归分析方法，包括指线性回归分析方法或非线性拟合方法(基于最小二乘法的迭代方法等)。第七，将已确定的扣除支架干扰的修正方法应用于风洞试验数据，得到扣除支架干扰后的风洞试验数据。第八，将已确定的增加机身干扰的修正方法应用于已扣除支架干扰所得的风洞试验数据，得到扣除支架干扰并增加机身干扰的风洞试验数据。该数据即反映了弹射座椅的真实运动气动特征。
Claims (8)
1.一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：分析弹射座椅各工况下风洞试验数据的变化规律及数据量级，该数据对应弹射座椅风洞试验真实状况，包括用攻角和侧滑角描述的试验工况及对应工况下六自由度气动力分量数据；
步骤二:根据弹射座椅风洞试验的模型和工况进行相应的CFD仿真，并将CFD仿真数据与风洞试验数据进行比对分析，将各工况、六自由度中各单一自由度气动数据构成的动态数据变化趋势及量级作为评判标准对CFD仿真数据进行评判，适时对CFD仿真方法进行反馈与修正，直至CFD仿真结果与风洞试验结果的动态数据变化趋势及量级相符，保证CFD仿真方法的工程合理性；
步骤三：分析弹射座椅仿真分析需求，将仿真分析模型确定为模型A(座椅+支架)、模型B(座椅)和模型C(座椅+机身)共三种，并设计该三种仿真模型；
步骤四：根据弹射座椅仿真需求，确定仿真分析工况所需的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，其中，飞行速度V＝250km/h～1300km/h，攻角α＝0°～360°，侧滑角β＝0°～180°。再根据工程实际确定这些参数的具体取值，其中，飞行速度共按250km/h、450km/h、850km/h、1000km/h、1300km/h取值；攻角α＝0°～90°时，Δα＝10°，攻角α＝90°～270°时，Δα＝20°，攻角α＝270°～360°时，Δα＝10°；侧滑角β＝0°～50°时，Δβ＝5°，侧滑角β＝50°～90°时，Δβ＝10°，侧滑角β＝90°～180°时，Δβ＝15°；
步骤五：采用步骤二确定的CFD仿真方法，按步骤四确定的仿真分析工况进行A、B、C三种模型的CFD仿真计算，形成三种仿真模型在步骤四所述工况下的CFD仿真数据；
步骤六：对A、B二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到从座椅+支架模型中扣除支架干扰的修正方法，对B、C二种模型的CFD仿真计算数据进行回归分析，得到在座椅模型基础上增加机身干扰的修正方法；
步骤七：将步骤六确定的扣除支架干扰的修正方法应用于风洞试验数据，得到扣除支架干扰后的风洞试验数据；
步骤八：将步骤六确定的增加机身干扰的修正方法应用于步骤七所得的风洞试验数据，得到扣除支架干扰并增加机身干扰的风洞试验数据。
2.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤一所述弹射座椅风洞试验真实状态，是由于受风洞试验现有条件的局限，无法模拟实际弹射状况下应有的飞机机身，却始终包含了弹射座椅实际弹射状况下没有的对试验模型起支撑作用的支架。
3.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤二所述CFD仿真方法，是对处于流场中物体进行气动特性数值模拟的特有方法。
4.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤二所述CFD仿真修正方法，是结合弹射座椅真实风洞试验数据进行数据拟合分析后的工程方法。
5.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤三所述的三种模型，是为了满足仿真需要并在工程中能够获得的模型，其中座椅+机身模型包括了弹射座椅在不同弹射行程(与飞机机身距离及相对姿态不同)的情况。
6.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤四所确定的飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围，是按照既能满足仿真需求，又能节省计算资源、缩短研究周期的原则确定的。
7.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤五所述CFD仿真数据，是A、B、C三种模型对应于步骤四中飞行速度、攻角和侧滑角的取值范围进行组合所包括的各种工况。
8.根据权利要求1所述的一种飞机机身对弹射座椅气动干扰的修正方法，其特征在于，步骤六所述计算数据回归分析方法，包括指线性回归分析方法或非线性拟合方法(基于最小二乘法的迭代方法等)。
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