彈射座椅某新型射傘機(jī)構(gòu)工藝的設(shè)計路徑

余俊杰，魯葉芬，馬 鈺

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441000）

彈射座椅是飛行員專用座椅，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生故障或遇難時，依靠動力裝置可以將飛行員彈射出機(jī)艙，然后射傘機(jī)構(gòu)彈出降落傘使飛行員緩慢落地。本文提出了一種結(jié)構(gòu)可靠、便于安裝的新型射傘機(jī)構(gòu)，該射傘機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)將救生傘快速拋出的目的，并且在成本方面具有優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面可靠性較強(qiáng)。

1 彈射座椅射傘系統(tǒng)組成

1.1 射傘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

彈射座椅射傘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要由傘艙蓋閉鎖機(jī)構(gòu)、射傘機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)組成，其中閉鎖機(jī)構(gòu)主要用于為射傘機(jī)構(gòu)傘艙蓋提供閉鎖力，進(jìn)而達(dá)到傘艙蓋與彈射座椅傘艙箱體的解鎖和封閉；射傘機(jī)構(gòu)主要實現(xiàn)對引導(dǎo)傘的拋出，達(dá)到使彈射座椅安全降落的目的；其他機(jī)構(gòu)中，吊傘掛耳主要固定主傘。

圖1 彈射座椅射傘系統(tǒng)

在彈射座椅射傘機(jī)構(gòu)貯存運(yùn)輸過程中，射傘機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行拆卸單獨(dú)貯運(yùn)，例如射傘機(jī)構(gòu)可以將引導(dǎo)傘包進(jìn)行單獨(dú)拆卸然后將其貯存于導(dǎo)引筒中進(jìn)行運(yùn)輸。在彈射座椅射傘系統(tǒng)安裝過程中，首先需要利用卡塊將射傘活塞缸和導(dǎo)引筒進(jìn)行連接并固定；其次將引導(dǎo)傘連接繩與主傘包進(jìn)行連接，確保逃生人員在拉動引導(dǎo)傘連接繩的情況下，主傘可以正常打開；最后關(guān)閉傘艙蓋，完成傘艙蓋閉鎖[1]。

在彈射座椅被彈出后，彈射座椅降落速度達(dá)到開傘速度要求時，彈射座椅會觸發(fā)開傘信號，并打開脫傘艙蓋閉鎖，在開啟扭簧和空氣的雙重作用下，傘艙蓋會快速打開，此時其內(nèi)部氣體發(fā)生器會產(chǎn)生大量氣體，通過氣體推動引導(dǎo)傘包向上運(yùn)動使引導(dǎo)傘包被拋出，然后引導(dǎo)傘包會拉動主傘使其打開，實現(xiàn)逃生人員的安全降落。

1.2 某新型射傘機(jī)構(gòu)

某新型射傘機(jī)構(gòu)主要包括傘艙蓋、傘艙、傘艙蓋鎖、引導(dǎo)傘安裝座、氣體發(fā)生裝置、電連接器、引導(dǎo)傘包和主傘包。該射傘機(jī)構(gòu)傘艙蓋與傘艙之間通過轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，同時傘艙之間采用扭簧連接，當(dāng)傘艙蓋開啟后可以繼續(xù)向開啟方向翻轉(zhuǎn)；傘艙蓋與傘艙之間安裝可拆卸傘艙蓋鎖，主要用于關(guān)閉傘艙蓋；射傘引導(dǎo)傘包和氣體發(fā)生裝置均被安裝于引導(dǎo)傘安裝座內(nèi)，其中氣體發(fā)生裝置需要與引導(dǎo)傘安裝座進(jìn)行固定連接[2]；引導(dǎo)傘安裝座內(nèi)部設(shè)有穿線槽，主要用于連接引導(dǎo)傘和主傘；引導(dǎo)傘和主傘之間采用連接繩進(jìn)行連接；氣體發(fā)生裝置與電連接器進(jìn)行連接，電連接器可以向氣體發(fā)生裝置發(fā)送觸動信號，當(dāng)氣體發(fā)生裝置接收到觸動信號后會推動引導(dǎo)傘包移動，同時解鎖傘艙蓋鎖，實現(xiàn)彈射座椅降落傘的打開。

2 某新型射傘機(jī)構(gòu)參數(shù)尺寸設(shè)計

2.1 射傘活塞缸設(shè)計

2.1.1 活塞缸尺寸計算

某新型射傘機(jī)構(gòu)活塞缸主要由氣體發(fā)生裝置進(jìn)行驅(qū)動，其輸出端只有一個，沒有供氣回路，射傘機(jī)構(gòu)活塞缸內(nèi)徑尺寸計算公式為：

式（1）中：F為射傘機(jī)構(gòu)活塞缸推力，設(shè)置其為600 N；P為工作壓力，設(shè)置其為2 MPa。

基于以上公式和參數(shù)，計算出活塞缸內(nèi)徑尺寸為500 mm，設(shè)計直徑為60 mm，其壁厚的計算公式如下：

式（2）中：Pt為活塞缸過載壓力，Pt=1.5P；[σP]為材料應(yīng)力，[σP]=σb/n，σb為材料抗拉強(qiáng)度，σb=370 MPa。

基于以上公式和參數(shù)計算得出活塞缸h＞1.02 mm，初步設(shè)定其壁厚為5 mm，外徑為70 mm[3]。

2.1.2 活塞缸尺寸驗證

根據(jù)以上設(shè)定參數(shù)對活塞缸設(shè)計壁厚參數(shù)進(jìn)行驗證，計算公式如下：

式（3）中：PN為活塞缸定壓力；σS為活塞缸材料屈服值；DI為液壓缸外徑；PτL為材料塑性變形應(yīng)力，；E為活塞缸材料彈性模量；v為活塞缸材料泊松比；PE為活塞缸爆裂壓力，PE＞Py。

利用上述公式進(jìn)行驗證后得出活塞缸壁厚和外徑設(shè)計參數(shù)滿足活塞缸強(qiáng)度設(shè)計要求?；钊赘椎缀投松w計算公式如下：

式（4）中：D為活塞缸體內(nèi)徑；[σ]為活塞缸端蓋材料應(yīng)力，取值2.40 Pa；Py為實驗應(yīng)力，Py=1.5P。

根據(jù)以上公式計算得出活塞缸端蓋厚度為5 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 活塞缸結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 活塞缸螺紋設(shè)計

活塞缸上下端蓋與活塞缸缸體之間采用螺紋進(jìn)行連接，兩端端蓋分別采用內(nèi)螺紋和外螺紋設(shè)計，其連接結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 活塞缸連接結(jié)構(gòu)

連接螺紋強(qiáng)度檢驗主要采用以下公式。

切應(yīng)力：

拉應(yīng)力：

合應(yīng)力：

螺紋強(qiáng)度檢驗公式：

式（5）—（8）中：Fa為螺紋軸向力；d0、d1、d2分別為螺紋大徑、小徑、中徑；h為螺紋高度；z為螺紋圈數(shù)。

考慮到活塞缸端蓋壁厚度為5 mm，外徑為700 mm，設(shè)置端蓋螺紋長度為12 mm，螺距為1.5 mm，螺紋圈數(shù)為8 圈[4]。

2.2 活塞尺寸設(shè)計

2.2.1 活塞桿設(shè)計

正常工作狀態(tài)下，活塞桿僅受軸向載荷的影響，活塞桿直徑計算公式如下：

式（9）中：Fb為活塞桿推力。

根據(jù)d/D=0.16～0.4 參考范圍設(shè)置活塞桿直徑，由于活塞缸僅需要短時間內(nèi)做單相推動運(yùn)行，不需要做反復(fù)運(yùn)動，為進(jìn)一步提高射傘機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率，需要在保證活塞缸安全性的情況下，降低活塞桿質(zhì)量，因此可以在參考范圍基礎(chǔ)上減小活塞桿直徑[5]。

利用公式（9）計算得出d≥4.64 mm，為確保活塞桿螺紋直徑符合強(qiáng)度設(shè)計要求，設(shè)置活塞桿直徑為10 mm?；钊麠U運(yùn)動過程中其主要受軸向壓力作用，如果活塞桿強(qiáng)度較低，在活塞桿運(yùn)動過程中其會發(fā)生軸向彎曲現(xiàn)象，當(dāng)活塞缸軸向壓力為極限值時，活塞桿穩(wěn)定性會下降，因此需要對活塞桿強(qiáng)度進(jìn)行檢驗。

活塞桿長細(xì)比值：

極限力：

式（11）中：k為計算系數(shù)，射傘機(jī)構(gòu)活塞缸為固定狀態(tài)，活塞桿為自由運(yùn)動狀態(tài)，其系數(shù)k=1/4；E為彈性模量；I為活塞桿慣性半徑；L為活塞缸長度。

利用以上公式對活塞桿強(qiáng)度進(jìn)行計算，得出活塞桿推力小于活塞缸極限力，活塞缸在正常運(yùn)動過程中不會出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

2.2.2 活塞厚度設(shè)計

通常情況下，為進(jìn)一步減小活塞缸質(zhì)量同時節(jié)省活塞缸安裝空間，活塞厚度應(yīng)當(dāng)輕薄。但是活塞厚度較薄，其使用壽命也會降低，通?；钊睆交蚧钊穸戎g的關(guān)系為d=0.4～0.6D，由于彈射座椅射傘機(jī)構(gòu)活塞缸不需要做反復(fù)運(yùn)動，為進(jìn)一步減少活塞質(zhì)量，同時保證活塞推力可以滿足推動引導(dǎo)傘包的需求，初步設(shè)置活塞厚度為15 mm[6]。

某射傘機(jī)構(gòu)活塞缸采用螺紋方式對活塞桿與活塞進(jìn)行固定連接，由于座椅彈射過程中，活塞缸中活塞運(yùn)動較快，為保證其氣密性，采用間隙密封法對活塞缸和活塞進(jìn)行固定，同時利用丁腈橡膠和聚四氟乙烯密封圈密封活塞。

2.3 導(dǎo)引筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

射傘機(jī)構(gòu)導(dǎo)引筒主要安裝于傘艙內(nèi)部，導(dǎo)引筒與彈射座椅之間采用螺栓進(jìn)行固定，其主要作用是限制引導(dǎo)傘包移動位置，確保引導(dǎo)傘可以向上移動。此外，導(dǎo)引筒內(nèi)部存在一定空間，可以保證主傘與引導(dǎo)傘連接線可以正常拉出。在設(shè)計導(dǎo)引筒直徑時需要考慮引導(dǎo)傘包直徑，使導(dǎo)引筒直徑大于引導(dǎo)傘直徑，以保證引導(dǎo)傘可以正常彈出，導(dǎo)引筒結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 導(dǎo)引筒結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，導(dǎo)引筒設(shè)置有螺紋孔，可以利用螺栓將其固定于回收傘艙內(nèi)部，同時其上方位置設(shè)有導(dǎo)槽，可以將主傘包和引導(dǎo)傘進(jìn)行連接；其底部位置設(shè)有卡槽，主要用于與活塞缸進(jìn)行連接固定。

3 射傘機(jī)構(gòu)強(qiáng)制開艙彈射設(shè)計

彈射座椅在使用過程中，會出現(xiàn)射傘機(jī)構(gòu)傘艙蓋閉鎖無法解鎖情況，進(jìn)而導(dǎo)致傘艙蓋無法正常打開，最終使得逃生人員無法安全落地?？紤]到在彈射座椅使用時傘艙蓋閉鎖無法解鎖的問題，需要利用射傘活塞缸推動力強(qiáng)行將傘艙蓋解鎖，以保證傘艙蓋可以正常開啟[7]。

3.1 強(qiáng)制開艙過程分析

射傘機(jī)構(gòu)傘艙蓋開啟轉(zhuǎn)動角度和角速度曲線如圖5 所示，從圖中可以看出射傘機(jī)構(gòu)艙蓋強(qiáng)制開啟過程中包括3 個階段。

圖5 射傘機(jī)構(gòu)傘艙蓋開啟轉(zhuǎn)動角度和角速度曲線

第一階段：活塞做向上運(yùn)動推動引導(dǎo)傘移動使其與傘艙蓋進(jìn)行接觸，此時傘艙蓋轉(zhuǎn)動角度會增大。

第二階段：該階段活塞缸不再做功，主要由傘艙蓋重力荷載、扭力彈簧對其做功，使傘艙蓋轉(zhuǎn)動至90°。

第三階段：當(dāng)傘艙蓋轉(zhuǎn)動角度大于90°時，空氣阻力、中立和扭力彈簧對傘艙蓋做功，由于扭力彈簧扭矩會隨著傘艙蓋角度增加而逐漸減小，同時空氣阻力也隨著傘艙蓋投射陰影減小而減小，此時傘艙蓋轉(zhuǎn)動速度會減慢[8]。

3.2 影響強(qiáng)制開艙的因素

傘艙蓋強(qiáng)制開艙設(shè)計不僅需要考慮傘包末速度因素外，還需要考慮傘艙蓋扭簧預(yù)壓縮角度和剛度對傘包末速度產(chǎn)生的影響，在傘艙蓋強(qiáng)制開艙設(shè)計過程中盡量降低傘艙蓋角速度，以減少傘艙蓋對彈射座椅產(chǎn)生的沖擊，其影響因素如表1 所示。射傘機(jī)構(gòu)氣缸推力和其他尺寸參數(shù)對于傘包末速度影響較大，其中預(yù)壓縮角度、扭簧扭矩對傘包末速度影響較小。根據(jù)以上實驗結(jié)果，假設(shè)測試結(jié)果響應(yīng)值為ki，射傘機(jī)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對傘艙蓋和傘包末速度影響效果如表2 所示。

表1 影響因子及取值范圍

表2 影響因素測試分析表

從表中可以看出，扭簧參數(shù)對于射傘機(jī)構(gòu)影響較小，因此在考慮傘包末速度過程中可以忽略扭簧參數(shù)對傘艙蓋轉(zhuǎn)動影響。通過對以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表3 所示。

表3 優(yōu)化參數(shù)表

根據(jù)表中優(yōu)化結(jié)果，選取方案1 參數(shù)并取其整數(shù)，然后設(shè)置射傘機(jī)構(gòu)初始壓強(qiáng)為2 MPa。在該參數(shù)工作模式下，射傘機(jī)構(gòu)可以正常解鎖傘艙蓋，并且可以在傘艙蓋無法解鎖的情況下進(jìn)行強(qiáng)制開啟，同時也可以滿足引導(dǎo)傘包快速彈出的要求，其彈出速度為31 m/s，滿足射傘機(jī)構(gòu)工作要求。

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出了一種新型射傘機(jī)構(gòu)，滿足了安裝便利、結(jié)構(gòu)簡單以及可以實現(xiàn)傘包正常彈出的要求，同時基于射傘機(jī)構(gòu)原理，闡述了射傘機(jī)構(gòu)各項參數(shù)尺寸設(shè)計方案，然后考慮到射傘結(jié)構(gòu)故障情況下，傘艙無法正常開啟的問題，分析了強(qiáng)制開倉彈出傘包的過程，最后對射傘機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確保了射傘機(jī)構(gòu)在故障情況下仍然可以有充足的推動力彈出傘包。