Введение к работе
Актуальность работы. При возникновении неполадок или повреждения летательного аппарата (ЛА) и невозможности его штатной или аварийной посадки члены экипажа оказываются в условиях чрезвычайной ситуации. Основным способом спасения летчиков военных реактивных самолетов в этом случае является катапультирование с использованием катапультного кресла (КК). При этом одним из наиболее существенных факторов, влияющими на безопасность катапультирования, являются воздействие ударных перегрузок, а также непосредственное воздействие набегающего воздушного потока.
Вопросы, связанные с защитой от непосредственного действия набегающего потока на современных российских КК типа К-36 в известной степени решены (Г.И. Северин, А.С. Барер и др.), а основным травмирующим фактором оказывается перегрузка катапультирования, действующая в направлении «голова-таз» - ny (Г.П. Ступаков, В.С. Казейкин, Ю.Б. Моисеев), приводящая к компрессионным травмам нижних грудных и поясничных позвонков. Частота получения таких травм летчиками даже в случае применения современных КК может достигать 10…30% (Дж.В. Бринкли).
Благодаря исследованиям, проводившимся во второй половине XX века как у нас в стране, так и за рубежом достаточно хорошо изучен вопрос о характере компрессионных травм позвоночника, обусловленных действием этих перегрузок, а также вопрос о его прочности и несущей способности (Г.П. Ступаков, С.А. Гозулов, В.А. Корженьянц и др.). Были установлены основные факторы, влияющие на риск перелома позвоночника в результате действия ударных перегрузок, и получена количественная связь между физическими параметрами этих перегрузок и вероятностью травмирования, что позволило создать инструментарий для определения безопасности воздействия перегрузок катапультирования.
Все известные критерии безопасности воздействия перегрузки в направлении «голова – таз» были получены в условиях катапультирований на малых скоростях, исходя из того, что на тело летчика воздействует суммарная, передаваемая через кресло перегрузка, сжимающая его позвоночник. Между тем, в соответствии с современными требованиями, КК должно спасать летчика на всех режимах полета, в том числе при больших индикаторных скоростях (900…1300 км/час). При этом, как известно из многолетней практики применения КК, вследствие воздействия набегающего потока значения перегрузок в направлении «голова-таз» существенно возрастают, и это, по существующим критериями, должно приводить к значительному увеличению вероятности компрессионных травм позвоночника.
Проблема определения уровня допустимых воздействий при катапультировании становится особенно актуальной в связи с тем, что новые отечественные КК (типа К-36Д-3.5, К-36Л-3.5Я и К-36Д-5) создавались с учетом расширенных требований, приводящих к возрастанию уровней перегрузок, и прежде всего – перегрузок в направлении «голова-таз».
Так, уменьшение массы пилота и самого КК, а также увеличение угла установки кресла в кабине ЛА с целью улучшения условий штатной работы экипажа, приводит к увеличению значений перегрузок, действующих вдоль позвоночника человека при катапультировании. Это, в свою очередь, приводит к ограничению скоростного диапазона применения самолета или к отказу от установки кресла под углами, обеспечивающими благоприятную штатную работу летчика.
Увеличение максимально допустимых скоростей и чисел Маха, на которых должно быть обеспечено безопасное катапультирование, также приводит к существенному увеличению уровней перегрузок, действующих на летчика по всем направлениям. Для их снижения необходимо применение различных, технически сложных, дорогих и громоздких схем и устройств, неблагоприятно влияющих на технические и эксплуатационные характеристики КК и ЛА.
В связи с отмеченными конструктивными особенностями перспективных КК и расширенными условиями их применения возникает насущная необходимость разработки методики определения безопасности воздействия перегрузок «голова-таз» в условиях реальных катапультирований, то есть тех их пороговых значений, которые не приводят к получению летчиком травм позвоночника и обеспечивают безопасность летчиков в чрезвычайных ситуациях катапультирования.
Цель работы - разработка на основании полученных экспериментальных данных и проведенного математического моделирования методики оценки безопасности воздействия на тело летчика перегрузок в направлении «голова-таз», возникающих при катапультировании на больших скоростях полета самолета, и ее апробация применительно к случаям реальных катапультирований.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести сравнительную оценку травматизма позвоночника летчиков, катапультировавшихся из самолета на различных скоростях полета.
-
Выявить расчетным путем особенности воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях полета (свыше 900 км/час).
-
Экспериментально определить величину эффекта уменьшения сжимающего усилия в позвоночнике, возникающего под воздействием набегающего скоростного напора.
-
Экспериментально сравнить реакции антропоморфного манекена и тела человека на динамическое растягивающее усилие, аналогичное действию аэродинамических сил на верхнюю часть тела летчика после попадания его в воздушный поток.
-
Создать методику оценки безопасности воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании в диапазоне индикаторных скоростей 0…1300 км/час, учитывающую биомеханическую реакцию тела человека на действие аэродинамических сил.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что:
впервые теоретически доказан и экспериментально подтвержден биомеханический эффект разгрузки позвоночника сидящего в катапультном кресле летчика под действием аэродинамических сил, возникающих при катапультировании на больших скоростях;
разработана методика количественной оценки безопасных уровней воздействия перегрузки катапультирования, отличающаяся от существующих методик учетом влияния аэродинамических сил, которые действуют на тело сидящего в кресле летчика при покидании самолета на больших скоростях полета.
Практическая значимость полученных результатов состоит в разработке методического аппарата для определения безопасных уровней воздействия на летчика перегрузки «голова-таз» в случае катапультирования из самолета с учетом реальных условий полета на больших скоростях при различных углах установки КК в кабине. В результате снимаются ограничения по применению КК и эксплуатации самих ЛА на больших скоростях полета, связанные с повышенными уровнями действующих при этом перегрузок «голова-таз».
Основная часть исследований, легших в основу настоящей диссертационной работы, была проведена в рамках Этапа 5.6 Договора между ОАО «НПП «Звезда» и «ОКБ Сухого» от 26.12.2004 г.: «Разработка КК пятого поколения К-36Д-5 для объекта Т-50».
На защиту выносятся:
-
-
Результаты аналитических и экспериментальных исследований, доказывающие наличие при катапультировании на больших скоростях полета биомеханического эффекта уменьшения сжимающего позвоночник летчика усилия от перегрузки «голова-таз» вследствие воздействия на его голову и верхнюю часть туловища растягивающих аэродинамических сил.
-
Методика, созданная для расширения возможности спасения летчика в широком диапазоне применения ЛА, и позволяющая количественно определять безопасность воздействия на тело летчика перегрузок катапультирования в направлении «голова-таз» при покидании самолета на больших скоростях полета.
Достоверность результатов исследования подтверждается четким формулированием базовых концепций исследования, строгим отбором гипотез и обоснованным применением используемых математических методов, совпадением расчетных значений с результатами, полученными в условиях стендовых исследований, внедрением основных результатов работы, а также статистическими исследованиями реального применения катапультных кресел при катапультировании на больших скоростях полета.
Результаты работы реализованы:
в «Акте по результатам Государственных испытаний КК К-36Д-3.5 в составе КСАП объекта 10В», утвержденном в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2006 г.);
в «Заключении о возможности установки КК К-36Д-5 в кабине объекта Т-50 под углом 22», утвержденном ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2008 г.);
в межведомственной «Методике оценки травмоопасности перегрузок КУ на больших скоростях», утвержденной ВВС МО РФ, ГНИИИ ВМ МО РФ, в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2009 г.);
в «Отчете по результатам Предварительных испытаний катапультного кресла К-36Д-5», утвержденном в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2010 г.).
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации нашли свое отражение в 6 печатных трудах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК, одном патенте, а также в 12 отчетах по научно-исследовательским и испытательным работам.
Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на конкурсах молодых специалистов ОАО «НПП «Звезда» (Москва 2007, 2009), на XXXIX научно-практической конференции ГосНИИИ ВМ Минобороны России (Москва 2010), на 9-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2010» в МАИ (Москва 2010), на заседании секции научно-методического совета ГосНИИИ ВМ Минобороны России (Москва 2010), на заседании научно-технического совета ОАО «НПП «Звезда».
Методы исследования. В процессе выполнения настоящей работы проводились экспериментальные исследования с использованием антропоморфных манекенов и добровольцев-испытателей. Краткая характеристика исследований, применявшиеся методики, измерительные средства и количество выполненных экспериментов приведены в таблице 1.
Полученные в ходе проведенных исследований данные обрабатывались в соответствии с методами математической статистики с использованием соответствующих стандартных функций и процедур, имеющихся в компьютерных программах Excel и MathCad.
Теоретический анализ поставленных задач проводился путем конечно-разностного моделирования процесса катапультирования и расчетного анализа нагрузок, возникающих в ходе катапультирования, с использованием программы «САС-36» разработки НПП «Звезда» и дополнительных расчетных модулей, созданных в среде MathCad с использованием уравнений теоретической механики.
Таблица 1. Характеристика проведенных экспериментальных исследований
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и Приложения. Основной текст диссертации изложен на 155 страницах, включая список литературных источников, проиллюстрирован 27 рисунками, содержит 23 таблицы. Библиография содержит 107 наименований, из которых 18 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Методика определения безопасности воздействия перегрузок "голова-таз" при катапультировании на больших скоростях полета
-
