高速应急离机时头盔夜视镜运动仿真分析

胡雪鹏++李磊子

摘 要：该文通过对高速弹射时夜视镜分离后的运动过程进行仿真分析，使用稳态CFD、多体运动仿真迭代方法，对夜视镜分离后的运动轨迹、姿态和速度进行仿真，研究在高速气流吹袭下夜视镜是否会对人体造成伤害。

关键词：夜视镜 多体运动 CFD

中图分类号：V223.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（b）-0001-02

随着现代军事技术的发展，空战环境日益复杂和恶化，夜间作战由于具备突防性强和隐蔽性好等优点，已经成为一种重要的空战形式。

配备夜视系统的头盔对于空军夜间作战具有重要的意义，除具备一般头盔的功能外，还能够显示微光条件下的环境图像，增强飞行员夜间观察和目标搜索能力，提高武器作战效能，减少飞行事故。

国内某型歼击机需要增加夜视镜，但由于夜视镜可能与护目镜发生干涉、夜视镜支座结构强度无法满足高速应急离机时的强度要求等原因，夜视镜必须在应急离机前分离，而夜视镜下落正好处于舱盖开启过程中，高速气流会作用在夜视镜上，因此需对高速应急离机时夜视镜可能造成的伤害进行分析。

1 仿真说明

1.1 仿真类型

由于夜视镜下落既要考虑夜视镜的运动，又要在运动中考虑其受到的氣动力，是典型的流固耦合问题，求解较为困难，所以对于工程问题，可以尝试工程上能够接受的近似解决方法。

1.2 仿真环境和方法

仿真使用NUMECA进行稳态CFD仿真计算，使用Adams进行多体运动仿真计算。具体计算步骤为：采用Adams进行动力学计算，得到第一个计算工况下夜视镜的轨迹和姿态，将计算得到的夜视镜模型和相对应的舱盖模型导入气动仿真软件NUMECA中进行气动力计算，得到夜视镜第一个计算工况下质心处受到的气动力和气动力矩；再将计算得到的气动力和气动力矩代入Adams中，作用在夜视镜上得到第二个计算工况下夜视镜的轨迹和姿态，重复上述步骤，对计算的气动力进行插值，得到夜视镜与人体发生碰撞时的速度。

2 仿真工况

根据工程需要，该次仿真计算速度为1 300 km/h，以夜视镜开始运动为时间零点，对六个计算工况进行CFD计算，见表1。

3 仿真过程

该次仿真坐标原点定义在头盔重心，位于纵向对称面，X方向由后向前，Y方向由下到上，Z方向根据右手定则确定。

3.1 仿真建模

夜视镜通过solidworks软件导出x_t文件，导入Adams中。

3.2 仿真初始参数

夜视镜初始质心坐标为X=153 mm，Y=36 mm，Z=0 mm；夜视镜受到火药燃爆作用，初始速度为1 m/s，方向斜向下45°，角速度为720°/s。夜视镜受到重力和气动力作用。

3.3 运行仿真

该次仿真使用插值方法求解微分方程，分析精度设为1.0E-3，仿真时间从夜视镜火药燃爆时刻开始，设置传感器判断当夜视镜与人体发生碰撞时仿真结束。

4 各工况仿真计算结果

4.1 夜视镜轨迹计算结果

夜视镜轨迹计算结果见表2。

4.2 气动力计算结果

气动力计算结果见表3。表中Fx、Fy、Fz分别代表X方向、Y方向、Z方向的作用力。

气流速度矢量图见图1。

4.3 碰撞速度计算结果

夜视镜与人体相撞时的撞击速度为1.5 m/s。

5 仿真结果分析及结论

5.1 仿真结果分析

夜视镜在下落过程中进入高速气流区域又离开高速气流区域，高速气流吹袭对夜视镜作用时间短，对夜视镜的运动影响不大，夜视镜与人体的撞击速度较低，不会对人体造成伤害。

5.2 仿真结论

使用流固耦合方法计算高速复杂变化环境下物体的运动具有非常大的难度，对计算机硬件要求高，计算周期长。应用多体动力学分析和稳态CFD相结合的方法近似地计算工程设计中物体的运动情况，工作量小、时间周期短，有一定的工程应用意义。

参考文献

[1] 郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高[M].机械工业出版社，2002.

[2] 王福军.计算流体力学动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2004.