Методика определения безопасности воздействия перегрузок голова-таз при катапультировании на больших скоростях полета

Как уже было отмечено выше, на сегодняшний день общепринятыми являются два способа оценки допустимости силовых воздействий на позвоночник летчика в процессе катапультирования:

• по максимальной величине перегрузки в направлении «голова-таз», измеряемой на манекене и кресле вблизи центра масс системы «КК + пилот», которая сравнивается с предельно допустимой величиной nyдоп;
• по максимальной величине динамической реакции вдоль вертикальной оси тела, которая также сравнивается с предельно допустимой величиной DRIдоп.

Оба этих метода являются опосредованными способами оценки величины усилий, возникающих в позвоночнике под действием внешних сил, воздействующих на сидящего в кресле летчика. При этом предполагается, что сжимающее усилие в поясничном отделе позвоночника напрямую коррелируется с суммарной перегрузкой «голова – таз» и индексом динамической реакции.

Принятые на сегодняшний день значения nyдоп и DRIдоп получены в условиях, соответствующих катапультированию на скоростях, близких к нулю. Проведенные расчетные и экспериментальные исследования позволили установить, что использование действующих методик оценки безопасности воздействия перегрузки катапультирования «голова – таз» (как по величине максимального значения перегрузки, так и по уровню динамической реакции) оказывается корректным лишь в условиях отсутствия воздействия на летчика аэродинамического потока, то есть на связанном участке движения КК, а также на активном участке движения при индикаторных скоростях до 900 км/час.

Основываясь на результатах проведенных расчетных и экспериментальных исследований, критерий по оценке допустимости воздействия перегрузки в направлении «голова-таз» для кресел типа К-36 должен быть уточнен с учетом реальных силовых факторов, действующих на тело летчика при катапультировании. Предельные уровни этой перегрузки по-прежнему должны определяться исходя из предельных сжимающих усилий, которые выдерживают нижние отделы позвоночника человека, однако при этом должна учитываться величина разгружающего эффекта, возникающего в позвоночнике под действием аэродинамических сил при аварийном покидании ЛА на больших скоростях.

Так, при использовании КК типа К-36Д-3.5 максимальная допустимая величина перегрузки катапультирования «голова – таз» после попадания летчика в поток, в зависимости от угла установки КК в самолете может быть увеличена до 22…26 ед. с учетом темпа ее нарастания и скоростного напора в момент катапультирования (рис. 7). На малых же скоростях предельная величина перегрузки ny по-прежнему должна определяться в соответствии с действующими критериями (nyдоп = 18 ед. при времени действия этой перегрузки не более 0,25 с и скорости нарастания не более 250 ед./с).

Рисунок 7 – Значения максимально допустимого уровня перегрузки в направлении «голова-таз» nyдоп на активном участке в зависимости от условий катапультирования

Что касается величины DRI, то в качестве предельных значений DRIдоп следует принимать установленные на сегодняшний день величины. Однако, использование существующей методики определения DRI позволяет выявить прямое соответствие между ее величиной и значениями усилий в позвоночнике лишь до попадания летчика в поток, либо на активном участке при значениях индикаторной скорости Vi 900 м/с. При больших же значениях индикаторной скорости требует корректировки сама существующая методика определения динамической реакции, поскольку в этом случае увеличению определенного с ее использованием значения DRI соответствует уменьшение сжимающего усилия в позвоночнике.

На основании анализа и обработки результатов экспериментальных работ по определению влияния скоростного напора на усилие в позвоночнике летчика была создана двухмассовая модель воздействия вертикальной перегрузки катапультирования на летчика (рис. 8).

Рисунок 8 – Двухмассовая модель определения динамической реакции тела летчика

Эта модель позволяет рассчитывать динамическую реакцию позвоночника летчика с учетом реальных особенностей катапультирования, в том числе индикаторной скорости в момент катапультирования, угла установки КК в кабине, массы и антропометрии летчика, наличия привязной системы, линейного и углового движения КК после катапультирования.

Величина индекса динамической реакции по двухмассовой модели будет определяться согласно следующим выражениям:

DRI(t) = (t),

++(1+) = (ny(t)-cos)g – F2/m2;

где – коэффициент демпфирования модели (0,224);

n – собственная частота модели (52,9 рад/с);

g – ускорение свободного падения (9.81 м/с2);

– коэффициент, учитывающий влияние жесткость снаряжения и системы фиксации,

m2 – масса верхней части тела сидящего в КК летчика, участвующая в нагружении позвоночника;

F2(t) = Fаэро0(Vi0, (t))KL + ;

где (t) = + - приближенное значение угла атаки КК;

– угол установки КК в кабине;

KL – коэффициент, учитывающий степень влияния набегающего потока в зависимости от роста сидящего в КК летчика;

– коэффициент, учитывающий инерционные характеристики сидящего в КК летчика;

nx(t), ny(t) – перегрузки КК вдоль связанных осей 0X и 0Y;

x(t), z(t) – угловые скорости КК относительно связанных осей 0X и 0Z;

V0 – скорость ЛА в момент катапультирования;

Fаэро0(Vi0, (t)) – аэродинамическая сила, воздействующая верхнюю часть тела пилота и зависящая от угла таки КК (t) и начального значения индикаторной скорости КК Vi0.

Расчеты, проведенные по предложенной модели, показали, что как характер изменения полученного с применением предложенной методики значения DRI(t), так и его абсолютные величины (отнесенные к массе верхней части тела) в целом лучше определяют значение возникающего в позвоночнике летчика усилия Fпозв(t), чем зависимость DRI(t), вычисленная с использованием общепринятой методики, не учитывающей особенности воздействия условий реального катапультирования.

Предложенная модель обладает рядом несомненных достоинств, однако ее недостатками являются громоздкость процедуры вычисления DRI, а также наличие ряда параметров, значения которых были определены по сравнительно небольшому числу экспериментальных данных. В связи с этим предлагается вторая, несколько более простая динамическая модель, учитывающая частичную разгрузку позвоночника от воздействия набегающего потока при помощи коэффициента A (рис. 9). Величина индекса динамической реакции по этой модели будет определяться согласно следующим выражениям:

DRI(t) = (t);

++ = (ny(t)-cos)g /A.

Здесь коэффициент А определяет эквивалентное уменьшение эффективного сжимающего воздействия перегрузки катапультирования «голова-таз» на позвоночник летчика за счет наличия аэродинамических и инерциальных сил при выходе КК в поток.

Рисунок 9 – Скорректированная одномассовая модель определения динамической реакции тела летчика

При этом для участка связанного движения значение коэффициента A принимается равным 1, а для участка свободного движения значение коэффициента A определяется в зависимости от индикаторной скорости полета в момент катапультирования Vi и угла установки кресла в кабине самолета (рис. 10).

Рисунок 10 – Значения корректирующего коэффициента A для вычисления динамической реакции летчика

Сравнение существующей и двух предложенных моделей показывает, что различие между двумя предложенными моделями по максимальным значениям динамических реакций составляет 1…3 ед., и при этом вторая модель обеспечивает больший запас по безопасным уровням воздйствия перегрузок и существенно проще в использовании. Именно эта модель и была включена в утвержденную ВВС МО РФ, ГосНИИИ ВМ МО РФ, в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» «Методику оценки травмоопасности перегрузок КУ на больших скоростях». Разработанная Методика была, в частности, использована для анализа результатов предварительных испытаний КК пятого поколения К-36Д-5.

ВЫВОДЫ

1) Анализ исходов реальных катапультирований показал отсутствие переломов позвонков у летчиков, спасшихся при катапультированиях на скоростях полета более 900 км/час, в то время как аварийное покидание на меньших скоростях в отечественных КК сопровождалось переломами в 6.6% случаев.

2) В результате проведенных расчетно-теоретических работ установлено, что при больших скоростях полета:

• максимальные величины ударной перегрузки «голова-таз» в системе «летчик – КК» отмечаются на этапе выхода кресла из кабины самолета и могут достигать при максимальных индикаторных скоростях более 18…23 ед.;
• величина контактной силы реакции между летчиком и КК, образующаяся под действием ударной перегрузки и определяющая компрессию позвоночника, зависит от индикаторной скорости полета самолета в момент катапультирования Vi и угла установки КК в кабине, уменьшаясь при =17° и Vi = 1300 км/час в момент выхода КК из кабины ЛА на величину до 3200 Н.

3) Экспериментально установлено, что при попадании летчика в поток на большой скорости на верхнюю часть его тела действует растягивающая аэродинамическая сила, которая частично разгружает позвоночник (на 500…3000 Н при = 17° и Vi = 900…1300 км/час), испытывающий сжимающую нагрузку от вертикальной перегрузки катапультирования. Поэтому одно и то же значение перегрузки катапультирования в направлении «голова - таз» оказывается на большой скорости полета более безопасным, чем на малой. При этом увеличение угла установки КК в диапазоне = 17°…30° при катапультировании на большой скорости полета ведет к относительному снижению растягивающего позвоночник аэродинамического усилия (при Vi = 1300 км/час изменение угла установки с 17° до 30° приводит к снижению растягивающих усилий с 3000 до 1800 Н).

4) На основании сравнительных экспериментов показано, что динамическая реакция тела сидящего в КК человека и антропоморфного манекена на растягивающее воздействие оказываются, с учетом 90%-го доверительного интервала, идентичными по величине и суммарному импульсу, что, в свою очередь, позволяет полностью распространить данные, полученные в испытаниях с антропоморфными манекенами, на летчика.

5) На основании анализа экспериментальных данных разработана и апробирована методика, совершенствующая количественное нормирование безопасных уровней перегрузки «голова-таз» при катапультировании на больших скоростях полета, а также доработана и проверена в испытаниях модель вычисления индекса динамической реакции (DRI), дополнительно учитывающая наличие аэродинамической силы, воздействующей на верхнюю часть тела летчика.

Практическая значимость результатов работы. Проведенные исследования и созданные на их основе методики позволяют более точно определять безопасность воздействия на летчика перегрузок катапультирования в направлении «голова-таз». Как следствие, снимаются ограничения по применению КК и эксплуатации самих ЛА на больших скоростях полета, связанные с повышенными уровнями действующих при этом перегрузок. Это делает возможным:

• снижение установочной массы кресла;
• увеличение диапазона возможной антропометрии летного состава;
• улучшение условий штатной работы экипажа за счет установки кресел в кабинах высокоманевренных самолетов под большими углами.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесен следующий вклад:

• проведен расчет динамики движения катапультных кресел и определены максимальные значения действующих на летчика перегрузок [6];
• вычислены значения контактных сил, возникающих в процессе катапультирования, с использованием инерционно-массовых и аэродинамических характеристик катапультируемой системы и летчика в присутствии кресла [1, 4, 7];
• проведен анализ статистики исходов применения катапультных кресел типа К-36 [2, 3];
• выполнен анализ результатов проведенных ранее катапультирований кресел типа К-36 с использованием антропоморфных манекенов [1, 2, 7];
• участие в подготовке, проведении и анализе результатов экспериментальных работ по определению воздействия аэродинамического потока на сидящего в кресле антропоморфного манекена [5, 7];
• участие в подготовке, проведении и анализе результатов сравнительных исследований динамической реакции антропоморфного манекена и испытателей на вертикальную нагрузку, имитирующую возникающую при катапультировании аэродинамическую силу [5, 7].

Список публикаций автора, в которых изложено основное содержание диссертационной работы

Статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России

1. Моисеев Ю.Б., Страхов А.Ю., Шибанов В.Ю. Воздействие перегрузки при катапультировании на больших скоростях полета самолета // Полет, №12, 2009. - С. 9–15.

2. Шибанов В.Ю. Подходы к оценке травмоопасности перегрузок, воздействующих на летчика в процессе катапультирования // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, №2, 2011. - С. 69–73.

3. Поздняков С.С., Лившиц А.Н., Шибанов В.Ю. Основные тенденции в совершенствовании катапультных кресел // Общероссийский научно-технический журнал «Полет», №5, 2011. - С. 52–60.

Статьи в научно-технических реферативных журналах

4. Шибанов В.Ю. Проблемы оценки травмобезопасности процесса катапультирования летчиков на больших скоростях // Проблемы безопасности полетов, №6, 2011. - С. 28…33.

Патенты на изобретения

5. Волковицкий В.Р., Иванов А.Г., Лившиц А.Н., Токарев Д.А., Шибанов В.Ю. Стенд для определения силы реакции между катапультным креслом и летчиком // Патент на полезную модель № 98808 от 20.04.2010 г.

Статьи в материалах конференций

6. Шибанов В.Ю. Современные средства спасения экипажей в аварийных ситуациях и перспективы их развития // Сборник выступлений Китайско-Российского форума молодых ученых. КНР, Ченду, 2005. – С. 56–59.

7. Шибанов В.Ю. Оценка травмоопасности факторов, воздействующих на летчика в процессе катапультирования // Тезисы докладов 9-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2010», - М.: МАИ, 2010 – С. 51–52.