NUMERICAL SIMULATION ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF WINDBLAST PROTECTION AT HIGH SPEED

The computational fluid dynamics （CFD） method is used to investigate the aerodynamic characteristics of the seat/occupant with windblast protection devices. The upwind Osher scheme is used for the spatial discretisation. The detached-eddy simulation （DES） based on the Spalart-Allmaras one-equation turbulence model is ap- plied to the detached viscous flow simulation behind the seat/occupant, with Mach numbers 0.6 and 1.2 at attack angles between --10 and 30°, and at two sideslip angles of 0 and 15°, respectively. The aerodynamic characteristics of seat/occupants with and without windblast protection devices are calculated in cases of the freestream Mach numbers 0. 8 and 1.6, attack angles from 5 to 30°, and three sideslip angles of 0, --20 and --50°, respectively. Results show that simulation results agree well with experimental data. And the occupant is efficiently protected by windblast protection devices.

猴头部冲击下颅内压的变化和头冲击伤的防护

为了探讨应急弹射时高速气流吹袭造成头部冲击伤的机制和防护措施，使用动态加载机，对２４只猴的头部进行了冲击，观察了头部损伤程度与颅内压的变化关系。实验结果表明，随头部损伤程度的加重，颅内压也随着增高；损伤程度的不同，颅内压的动态响应曲线也呈现出不同的特点；颅内压增高值达到６．６３ｋＰａ猴出现了脑震荡的症状；颅内压的增高值达到或超过１０．０２ｋＰａ猴发生了脑器质性损伤。在应急弹射时适当地固定头部或防止颅骨变形可较好地预防和减轻头部冲击伤。另外，还应在减少头部气动力和提高座椅的稳定性上着重考虑。

猕猴膝和肘关节的生物力学特性研究

本文对５只猕猴膝和肘关节进行了生物力学特性实验，得出了猕猴整体膝关节和肘关节的载荷－变形关系曲线、极限载荷、刚度和破坏时吸收的能量等数据。这些结果为飞行员应急弹射高速气流吹袭下四肢防护系统的设计提供了科学依据。

模拟气动载荷对猴头颈部损伤的研究

本实验使用动态加载机模拟了应急弹射时气流吹袭对人体的作用曲线。对24只猴的头部进行了冲击,通过多项医学指标的综合判断,获得了猴头颈部对模拟气动载荷的耐受限度。实验表明:冲击载荷在2.3kN 以下不会对猴产生任何损伤。在2.5kN 会使猴发生脑振荡,2.8kN 以上对猴生命威胁较大,此结果为人体头颈部对气流吹袭耐限的确定提供了依据。实验还表明动态加载机对气流吹袭作用曲线模拟效果较好,是目前国内进行冲击创伤研究比较理想的实验设备。

人体头颈部对高速气流吹袭耐受限度的研究

在高速弹射时,对乘员的最大威胁依然是座椅的不稳定和气流吹袭。本项研究的目的是为人体头颈部对高速气流吹袭的耐限提供医学依据。首先进行了风洞实验,获得了人头颈部的气动数据,实验结果表明,头颈部的气动侧力比气动阻力和升力小得多。根据实验结果,计算了作用在乘员头颈部的气动力随时间变化的曲线。使用动态加载机模拟弹射时气动力随时间的变化历程,对猴头部进行了冲击实验。根据动物头部的冲击实验,通过大体解剖、生理、生化、病理和神经学等多项医学指标的判断,找出了动物脑震荡的判别方法,尤其是采用了特异性很强的生化指标—肌酸激酶脑型同功酶(CK—BB),使得脑损伤的判别,比国内外主要靠大体解剖的方法准确可靠。根据动态加载机对猴头部的冲击实验结果,获得了冲击载荷与损伤的关系,并分成了5种损伤等级。研究了8具新鲜人尸和34只健康猴头颈部组织的生物力学特性之间的关系,证明以猴代人进行头颈部的创伤实验是可行的,为从动物实验过渡到人提供了有力的依据。根据猴的实验结果计算出了在不同高度、不同弹射速度下人体头颈部对高速气流吹袭的损伤等级曲线,并把这一结果和国内外飞机失事调查结果以及有关人体生物力学耐限的研究结果进行对比研究,证明本项研究结果是可靠的。其中的中度伤(轻度脑震荡)符合航空救生的医学要求,可保障乘员安全,建议作为人体头颈部(戴保护盔)对高速气流吹袭的生理耐限。为使用方便,可将当量表速1000km/h 作为其耐限速度。此项研究为制定人体头颈部对高速气流吹袭的耐限提供了比较可的医学依据。

人体上肢高速气流吹袭耐受限度的研究

目的研究人上肢有／无防护时耐受高速气流吹袭限值；为防护装置的设计要求提供试验依据。方法进行了飞行员上肢抗拉耐力研究；采用人尸体、活猕猴上肢开展了模拟气动载荷耐受限度的研究；进行了人尸体、猕猴上肢生物力学特性研究和1／5人椅模型跨超声速风洞试验。结果通过系列的试验研究和国内外资料分析,获得了人上肢有／无防护时耐受高速气流吹袭的限值。结论为高性能战斗机飞行员上肢弹射救生的生理要求及上肢高速气流吹袭防护装置的设计、鉴定和验收提供了实验依据。

弹射救生高速气流吹袭防护气动特性数值模拟

对弹射救生中高速气流吹袭防护装置对人椅系统气动特性影响进行了数值模拟。采用基于面的有限体积方法求解N-S方程,空间离散采用中心格式,时间离散采用五步显式Runge-Kutta方法。基于Spalart-Allmaras(S-A)紊流模型的DES方法,数值模拟了人椅系统在马赫数0.6、迎角-90°～90°的气动特性,获得了与风洞试验结果较为吻合的计算结果。对有无导流挡板和抬腿机构人椅系统的气动特性及飞行员胸腹部表面压力分布进行比较,结果显示两种防护装置均可有效改善人椅系统的气动特性,不同程度降低飞行员胸腹部所承受的气动力,充分说明高速气流防护装置的有效性。为进一步研究高速气流防护装置提供参考。

人胸腹部对高速气流吹袭耐力的研究

从高速飞行的飞机上弹射时,气流吹袭可能使胸腹部致伤。本研究的目的是要得出人胸腹部对气流吹袭的耐力,以便为确定敞开弹射座椅的速度限值提供人体工程依据。本文在动物胸腹部气流吹袭实验和力学实验基础上进一步研究分析了有关活人火箭车实验、人尸体和动物的胸部钝性冲击实验、高速水冲击产生的胸腹部损伤等文献资料,获得了下述结果:①人和猪、狗、猴胸部对钝性冲击的耐力,其中猪的耐力最低,猴的耐力最高,人的耐力介于狗和猴之间:②人和猪、狗、猴胸腹部对气流吹袭的耐力,与上面情况一样,猪的耐力最低,猴的耐力最高,人的耐力介于狗和猴之间:③找出了胸部对钝性冲击耐力与胸腹部对气流吹袭的耐力的相关性和两种实验结果定量转换方法,以及Viano(1983)提出的冲击严重性指数S.I.=Vc/(1-c)与气流动压q_c是两个相关量,它们之间的定量换算,为从胸部钝性冲击结果推导出胸腹部气流吹袭结果提供了定量方法和依据。

人椅系统肢体气动特性数值模拟

为了研究弹射过程中人体肢体气动特性和高速气流防护装置的有效性,采用有限体积方法数值求解Navier-Stokes方程,空间和时间离散分别采用中心格式和五步龙格库塔格式,并应用基于SA紊流模型DES方法,数值模拟了人椅系统马赫数在0.6、雷诺数在12.3×106、迎角在-90°~90°范围内的气动特性,计算结果与风洞试验结果较为吻合。在此基础上对比模拟了马赫数在0.8~2.0、雷诺数在（6.75~13.85）×106、迎角在5°~30°范围内,有、无防护下人体肢体的气动特性。结果表明限臂板、抬腿机构和导流挡板等高速气流防护装置在保护肢体的同时,也产生一些不利干扰。因此,在实际应用中,应优化设计,最大程度发挥高速气流防护装置的作用。

胸腹部对气流吹袭的动态响应

本文研究了动物胸腹部对气流吹袭的动态响应。共用了9头猪、5条狗和6只猴。实验是在发动机试车台上进行的,用来模拟从飞机上应急弹射时的气流吹袭。动压q_c的范围为47.1～81.4kPa.损伤严重性用AIS(Abbreviated Injury Scale)来定量。在这些实验中记录了胸内压和腹内压。还用电影摄影方法测量了胸部挠度。结果表明,在这样的q_c范围内,猪胸腹部损伤为AIS 4或AIS 5。猴的损伤为AIS 0到AIS 1。狗损伤的AIS值为1到3。胸部峰值挠度和胸部压缩随q_c增加而增大。动物胸部压缩达到34.9%～57.0%。大多数猪都有多处骨折,但狗和猴没有发生肋骨骨折。当动物弹射进入气流时,它们的胸内压(P_x)和腹内压(P_f)迅速升高,但P_x和P_f与q_c的相关不显著。

气流吹袭时飞行员手臂的受力分析

总结了测量作用在手臂上的气动力的实验结果.。这些实验是用风洞、火箭车和空中弹射进行的。用6名男青年、橡胶假人、1/2人体木模型和1/10人体钢模型,在Ma=0.086～2.04范围内,测量了作用在手臂上的气流解脱力。用这些实验数据,计算出了气流产生的手臂解脱力系数,并推导出这些系数与Ma数之间的关系式,为进一步推导飞行员手臂对气流吹袭的耐力提供了气动力数据。

飞行员手臂侧向抗拉耐力的研究

此项研究使用了特殊设计的拉力装置，机械模拟在应急弹射时作用在飞行员上肢的侧向气流吹袭力，测量了１１９名飞行员在拉中央环姿态下，右手臂对侧向拉力的耐受限度。使用拉力传感器记录了脱手时作用在手上和前臂的力。测量了飞行员手的握力、身高、体重、上肢长、上臂长、前臂长和手长等参数。实验结果表明，手的握力和在手上测量的脱手力，随着飞行员年龄的增加而减少。握力对作用在手上的侧向脱手力有影响。脱手力随着飞行员握力的增加而增加。飞行员手臂对侧向拉力的耐受限度的平均值是５７４Ｎ。此项结果为设计飞行员上肢的气流吹袭防护装置提供了科学的依据。

人体空气动力学问题

本文首次提出了人体空气动力学的基本概念、研究内容、方法和当前存在的主要问题。阐述了高速气流吹袭对人体造成的影响,分析了人体各部分的气动特性,给出了人体上肢、小腿及头颈部的阻力系数曲线,认为人体四肢和头颈部在高速气流吹袭下产生的相对于人椅系统甩打运动,将对人体的安全弹射造成严重威胁,是飞行员安全弹射的主要障碍。本文还对目前国内外所研究的高速气流防护装置按其防护原理进行了分类,并评价了他们的防护能力。本文介绍了国内外的主要研究成果,并对其中人椅系统的速压计算问题作了较为详细的阐述,介绍了作用在人椅系统上的速压修正的半经验公式。此公式不仅适用于计算像人椅系统那样的大钝体,而且也适用于计算其它大钝体在任意 M 数范围内的阻力系数。最后,文中对今后的研究工作提出了一些建议。

1:10人-椅模型上肢的跨-超音速风洞实验

本文介绍了1:10人椅模型上肢跨-超音速风洞实验的结果。测量了Ma=0.5～2.04和攻角10°～20°范围内上肢的阻力和侧向力。获得了在握扶手和拉中央环两种姿态下手臂的气动力特性。比较了穿衣袖与不穿衣袖两种状态下手臂的气动力数据。实验结果为确定人体上肢对高速气流吹袭的耐久限度和设计防护措施提供了重要的气动力数据。

即将发布的《坠落防护 挂点装置》国家标准解读

《坠落防护挂点装置》标准是规定高处坠落防护挂点装置的技术要求、检验方法、检验规则及标识的国家标准。本文从标准适用范围、挂点装置分类、技术要求、检验等方面简述该标准的特点及意义,以加深对该标准的理解,促进其在挂点装置生产及检测方面的导向作用。

人头颈部耐受高速气流吹袭限值(英文)

研究了人头颈部的气动特性和生物力学特性，提出人头颈部受到高速气流吹袭时，对气动阻力的耐受限值为２．４５２ｋＮ，对气动升力的耐受限值为１．３５８ｋＮ，对气动侧力的耐受限值为０．１６９ｋＮ，并给出了人头颈部高速气流吹袭的耐限曲线。不论乘员在何种姿势下弹射，作用在头颈部的气动力不超过以上数值才可免遭高速气流吹袭造成的损伤。

基于数值模拟的飞行员高速气流吹袭损伤分析

研究飞行员高速气流吹袭的损伤机理,应用尺度适应模型对人椅系统外流场进行数值模拟.在马赫数为0.6,迎角为-90°~90°条件下的数值计算结果与风洞试验结果吻合较好.对不同马赫数、不同迎角的无防护状态下的人椅系统进行数值模拟,研究发现高速气流吹袭下飞行员面颈部、胸腹部、上臂内侧、小腿迎风侧压力较大;增大人椅系统的迎角可以改善飞行员身体各部分的受力情况.

飞行员头盔夜视镜系统气流吹袭性能研究

开展飞行员头盔夜视镜系统的高速气流吹袭试验,研究其气动特性和作用在人体颈椎上的力,评价其对弹射救生安全性的影响,为头盔夜视镜系统的设计和使用提供依据。采用高速气流吹袭台(敞开式风洞)吹袭的试验方法,将弹射座椅固定在吹袭台喷口前的台架上,试验假人(HYBRID II型假人)端正地放置在弹射座椅上,试验假人穿抗荷服,佩戴头盔、夜视镜、供氧面罩。以850 km/h的吹袭速度作为试验的起点,按照试验设计确定的原则依次调整吹袭速度。夜视镜分下位(工作)和上位(非工作)2个状态进行试验,用高速摄像机记录头盔夜视镜在吹袭时的佩戴状态,测量试验假人颈椎下端的力和力矩。高速摄像机、力和力矩测量系统用高速气流吹袭台设定的时间基准同步测量。共进行了10发试验,其中5发试验夜视镜从头盔上吹脱,5发未吹脱;获得了各次试验中假人颈椎的受力曲线及夜视镜吹脱的时刻和轨迹。按照试验合格判据,吹袭速度均未超过850 km/h。头盔加装夜视镜后,相比头盔不加装夜视镜,气流吹袭性能下降,吹袭速度800 km/h以上颈椎力矩超标,700 km/h为临界点,600 km/h合格。建议将头盔夜视镜系统的气流吹袭性能包线限制在600 km/h以内。

基于非结构混合网格人椅系统外流场数值模拟

为了对弹射救生人椅系统外流场进行数值模拟，建立了人椅系统三维几何模型，利用非结构混合网格对计算域进行离散，采用有限体积法求解Navier—Stokes方程。应用SAS方法分别对人椅系统在马赫数为0．6，迎角为-90°～90°条件下进行数值模拟，计算结果与风洞试验结果吻合较好。对无防护状态下的人椅系统进行数值模拟，根据飞行员面部、头颈部、四肢的受力情况分析高速气流吹袭下飞行员的损伤机理，对飞行员弹射救生以及高速气流吹袭装置的研制具有一定的指导意义。

飞行员低压舱迅速减压训练气流吹袭装置原理样机研制

目的:研制飞行员迅速减压训练气流吹袭装置,使飞行员进行低压舱迅速减压训练时能够同步体验气流吹袭对人体的影响。方法:该吹袭装置由气源、执行机构、喷嘴矩阵、控制系统4个部分组成。高压气体从喷嘴喷出,使高压气体的能量在经过喷嘴时降压膨胀加速转换为高速气流的动能,由多个布置成矩阵的扇形喷嘴实现对人体头胸部位所在平面的气流吹袭。通过有限元模拟仿真分析气流吹袭的速度场,并进行地面迅速减压吹袭试验。结果:有限元模拟仿真分析和吹袭试验的结果均满足吹袭速度不小于15m/s的训练要求。结论:该装置能够使飞行员体验轻度气流吹袭的效果,丰富了低压舱迅速减压训练的内容。