頭盔彈射出艙遭遇氣流沖擊過程的數(shù)值模擬研究

陳 琦, 謝昱飛, 袁先旭, 陳堅(jiān)強(qiáng)

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

頭盔是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)飛行員不可或缺的裝備。早期飛行員沒有佩戴頭盔，依靠雙耳皮帽和大號(hào)黑色風(fēng)鏡提供簡單的防護(hù)，成為早期飛行員的典型特征。我國從20世紀(jì)70年代開始配發(fā)自研的頭盔，從早期的TK-2型到全面改進(jìn)升級(jí)的TK-11型，防護(hù)性、實(shí)用性及舒適性都有很大提升。現(xiàn)代新式頭盔在提供高性能防護(hù)的同時(shí)，逐步向功能強(qiáng)大的綜合性頭盔系統(tǒng)發(fā)展。飛速發(fā)展的科技將多種功能凝聚在頭盔里，使其成為幫助飛行員操縱飛行、導(dǎo)航、瞄準(zhǔn)攻擊等設(shè)備的得力助手，是飛行員與其戰(zhàn)機(jī)之間的重要紐帶[1-6]。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)手段模擬飛行員彈射出艙過程中頭盔所受的氣動(dòng)載荷成為可能，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)、材料性能分析等提供支撐[7-8]。

我國正在研制的某新式頭盔在進(jìn)行彈射出艙試驗(yàn)時(shí)，外盔遭遇撕裂破壞。經(jīng)初步分析認(rèn)為：由于設(shè)計(jì)特點(diǎn)，內(nèi)外盔之間存在一個(gè)較大的空腔，當(dāng)飛行員處于座艙之內(nèi)時(shí)，空腔內(nèi)為1個(gè)大氣壓，當(dāng)彈射出艙后，外部高速氣流通過縫隙沖入空腔，空腔內(nèi)形成瞬態(tài)流動(dòng)，產(chǎn)生很大的沖擊載荷，可能是導(dǎo)致外盔撕裂破壞的原因。按照這一分析，本文制定了計(jì)算研究策略：首先假定頭盔的護(hù)目鏡和氧氣面罩之間沒有縫隙，頭盔空腔的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，內(nèi)部沒有流動(dòng)，計(jì)算得到定態(tài)的外部流場；然后瞬間打開縫隙，外部高速氣流沖入空腔，采用非定常CFD技術(shù)模擬這一瞬態(tài)過程，研究頭盔所受到的氣動(dòng)沖擊載荷的分布、影響和規(guī)律。

1 數(shù)值方法與驗(yàn)證

非定常Navier-Stokes可寫出如下形式：

式(1)中各符號(hào)的具體含義見文獻(xiàn)[9]。在數(shù)值求解非定常N-S方程時(shí)，空間離散格式采用原始變量NND格式，限制器選用minmod限制器；非定常時(shí)間推進(jìn)采用Jameson雙時(shí)間步方法。方法具體描述見文獻(xiàn)[9-10]。

數(shù)值模擬了NACA0012翼型的強(qiáng)迫俯仰振蕩過程[11-13]，以驗(yàn)證本文非定常計(jì)算代碼的可靠性。強(qiáng)迫俯仰振蕩的公式為：

α(t)=α0+αmsin(ωt)(2)

其中初始迎角α0=2.89°，振蕩的幅值αm=2.41°，俯仰振蕩的圓頻率ω=33.672。來流馬赫數(shù)Ma=0.6，雷諾數(shù)Re=4.8×106，俯仰軸心定義在25%的弦長處。

圖1是翼型振蕩過程中，壓力系數(shù)分布與實(shí)驗(yàn)值[11]的比較，圖2是振蕩過程中俯仰力矩-俯仰角的遲滯圈與文獻(xiàn)[14,15]的比較。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值整體上吻合較好，驗(yàn)證了本文的非定常計(jì)算方法。

2 頭盔模型與計(jì)算網(wǎng)格

圖3是飛行員彈射座椅和新型頭盔裝置，結(jié)合其外形特點(diǎn)，圖4給出了簡化的頭盔和彈射座椅模型。

t=T/3，α=4.98°(down)

圖2 俯仰力矩-俯仰角遲滯圈Fig.2 Phase diagram of pitching moment to pitching angle

圖3 真實(shí)的飛行員頭盔與彈射座椅[2]Fig.3 Real geometry of helmet and ejection seat[2]

圖4 頭盔的簡化外形與網(wǎng)格Fig.4 Grid and geometry of simplified helmet

頭盔的主要結(jié)構(gòu)包括外盔、內(nèi)盔、氧氣面罩、護(hù)目鏡以及泄流孔等，計(jì)算網(wǎng)格采用多塊對接網(wǎng)格生成，網(wǎng)格量約700萬。

來流馬赫數(shù)Ma分別取0.7、0.9、1.2，迎角α分別取7°、17°、27°，海拔高度為3 km。由于現(xiàn)代彈射裝置要求具備零高度、零速度的彈射能力，計(jì)算還考察了不同高度對沖擊載荷的影響。

3 沖擊過程分析

3.1 沖擊前后的流場比較

計(jì)算條件為Ma=1.2、迎角α=17°。根據(jù)計(jì)算策略，首先假定頭盔的護(hù)目鏡和氧氣面罩之間無縫隙，此時(shí)頭盔內(nèi)部保持1個(gè)大氣壓(1 atm=1.01105Pa)，無氣流流動(dòng)，計(jì)算得到了初始的定常流場。護(hù)目鏡和氧氣面罩之間的縫隙打開后，外部的高速氣流沖進(jìn)頭盔的內(nèi)部空腔(空腔主要由護(hù)目鏡、內(nèi)盔和外盔之間的縫隙構(gòu)成)，并經(jīng)由護(hù)目鏡和外盔間的縫隙和外盔上的3個(gè)泄流孔流出。圖5給出了沖擊前后的壓力云圖比較，圖6給出了沖擊前后的流線圖比較。這里給出的沖擊后流場為流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后的流場。可以看到，沖擊前，盔內(nèi)壓力為1 atm，沒有流動(dòng)；縫隙打開之后氣流沖進(jìn)頭盔內(nèi)的空腔，空腔內(nèi)壓力明顯升高。

(a) 沖擊前

(b) 沖擊后

(a) 沖擊前

(b) 沖擊后

3.2 氣流沖擊速度和迎角的影響分析

針對氣流沖擊頭盔造成外盔撕裂的問題，考慮氣流沖擊速度和角度的影響。通過在內(nèi)外盔的關(guān)鍵點(diǎn)上布置一系列的測壓點(diǎn)和測壓線，以分析沖擊過程的影響。圖7給出了測壓點(diǎn)和測壓線的分布情況。測壓點(diǎn)主要分布在可能撕裂的部位(②、③、④)以及瀉流孔(⑩)等壓力可能上升較高的地方。測壓線則分布在外盔內(nèi)壁和外壁的相應(yīng)位置，以便于分析外盔內(nèi)外表面的壓力差。

圖8給出海拔高度為3 km時(shí)，模擬得到的頭盔測壓點(diǎn)壓力變化的非定常過程。由于頭盔內(nèi)部初始?jí)毫? atm，而3 km高度的大氣壓大約為0.7 atm，因此，測壓點(diǎn)的壓力均表現(xiàn)為先降后升的過程。對所有計(jì)算的馬赫數(shù)，頭盔內(nèi)部的壓力均大于當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?0.7 atm)；且隨著沖擊速度的提高，頭盔內(nèi)部壓力增加的越明顯，位于撕裂點(diǎn)附近測壓點(diǎn)的壓力最高為1.5 atm。

圖9為氣流穩(wěn)定后，頭盔內(nèi)外表面的壓力差分析?？梢钥吹?，Ma=0.7時(shí)，內(nèi)外表面的壓力差最高為0.25 atm；Ma=0.9時(shí)為0.4 atm，Ma=1.2時(shí)達(dá)到0.65 atm，這是氣流穩(wěn)定后的內(nèi)外表面的壓力差，而氣流沖擊瞬間的壓力差應(yīng)該更高。如果在受力均勻的情況下，這種壓力差對頭盔可能是安全的，但在瞬間沖擊載荷的作用下，頭盔所受應(yīng)力來不及傳遞開，作用在頭盔內(nèi)外壁上巨大的壓力差將可能導(dǎo)致頭盔撕裂。

圖10給出Ma=1.2時(shí)不同迎角下測壓點(diǎn)的壓力變化過程，圖11是沖擊過程中對稱面上的壓力分布云圖比較。隨著迎角增加，頭盔內(nèi)部受到的沖擊載荷反而降低，主要原因是隨著迎角增加，氣流反而更多地沖擊在氧氣面罩上，并沒有直接沖入內(nèi)盔，所以內(nèi)盔的壓力隨著迎角的增加不增反降。

(a) 測壓點(diǎn)

(b) 測壓線

(a) Ma=0.7

(b) Ma=0.9

(c) Ma=1.2

(a) Ma=0.7

(b) Ma=0.9

(c) Ma=1.2

圖9外盔內(nèi)外壁的壓力差分析(H=3km，α=17°)
Fig.9Analysisofpressuredifferenceofhelmet(H=3km，α=17°)

(a) α=7°

(b) α=17°

(c) α=27°

3.3 高度的影響分析

如前所述，現(xiàn)代彈射系統(tǒng)要求具備零高度彈射能力。隨著高度的降低，來流動(dòng)壓升高，對頭盔的沖擊載荷預(yù)計(jì)也會(huì)增強(qiáng)。圖11給出海拔0 km和3 km時(shí)，頭盔外盔的內(nèi)外壁壓力差(圖7中測壓點(diǎn)1和測壓點(diǎn)4)在沖擊過程中隨時(shí)間的變化曲線，其中圖11(a)是有量綱的值；圖11(b)是無量綱的值，分別以各自的來流動(dòng)壓進(jìn)行無量綱化。

從圖11(a)的模擬結(jié)果可以看到，H=0 km時(shí)外盔內(nèi)外壁壓力差的均值顯著高于H=3 km時(shí)的值。因此，隨著飛行高度的下降，頭盔所受的直接沖擊力和頭盔內(nèi)外壁的壓力差都會(huì)增加，彈射出艙時(shí)氣流的沖擊對頭盔造成的破壞性也越大。

(a) Time=0 s

(b) Time=0.001 s

(c) Time=0.002 s

(d) Time=0.004 s

(a) Time history of difference of pressure

(b) Time history of difference of nondimensional pressure

另外從圖11(b)的模擬結(jié)果可以看到，在除去了來流動(dòng)壓的影響因素后，H=0 km和H=3 km時(shí)的內(nèi)外壁壓力系數(shù)均值的差幾乎一致，表明來流動(dòng)壓在高度對沖擊載荷的影響中占主導(dǎo)因素。

4 結(jié) 論

本文通過求解N-S方程，數(shù)值模擬了某型頭盔在彈射出艙后遭受外部高速氣流沖擊的非定常過程，主要結(jié)論有：

1) 在高速氣流突然沖擊下，外盔側(cè)邊緣內(nèi)外壓力差較大，且瞬態(tài)受力不均，可能是造成頭盔被撕裂的直接原因。

2) 考察了來流速度、迎角和高度等因素的影響。結(jié)果表明，隨來流速度增加，頭盔內(nèi)部所受沖擊力增加，對頭盔破壞作用越強(qiáng)；迎角增大后，由于氧氣面罩的遮擋作用，氣流對內(nèi)盔的沖擊載荷反而有所降低；而隨著高度的降低，頭盔所受的直接沖擊力和頭盔內(nèi)外壁的壓力差都會(huì)增加。