МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕГРУЗОК «ГОЛОВА-ТАЗ» ПРИ КАТАПУЛЬТИРОВАНИИ НА БОЛЬШИХ
advertisement
На правах рукописи Шибанов Виктор Юрьевич МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕГРУЗОК «ГОЛОВА-ТАЗ» ПРИ КАТАПУЛЬТИРОВАНИИ НА БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА 05.26.02. – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (авиационная и ракетно-космическая техника) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 Работа выполнена в ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И. Северина» и в ФГУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Минобороны России» Научный руководитель: кандидат технических наук Лившиц Александр Наумович Научный консультант: доктор медицинских наук, профессор Моисеев Юрий Борисович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кукушкин Юрий Александрович доктор технических наук, профессор Строгонова Любовь Борисовна Ведущая организация: Войсковая часть 15650 Защита состоится «30» ноября 2011 года в 10 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук «Государственный научный центр РФ – Институт медикобиологических проблем РАН» (ГНЦ РФ – ИМБП РАН) по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, дом 76-А. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН. Автореферат разослан «26» октября 2011 года Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Назаров Н.М. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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. 4 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: 1) Провести сравнительную оценку травматизма позвоночника летчиков, катапультировавшихся из самолета на различных скоростях полета. 2) Выявить расчетным путем особенности воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях полета (свыше 900 км/час). 5 3) Экспериментально определить величину эффекта уменьшения сжимающего усилия в позвоночнике, возникающего под воздействием набегающего скоростного напора. 4) 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. 5) 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: 1) Результаты аналитических и экспериментальных исследований, доказывающие наличие при катапультировании на больших скоростях полета биомеханического эффекта уменьшения сжимающего позвоночник летчика усилия от перегрузки 6 «голова-таз» вследствие воздействия на его голову и верхнюю часть туловища растягивающих аэродинамических сил. 2) 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 «головатаз» 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 К36Д-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 9й 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 7 использованием антропоморфных манекенов и добровольцевиспытателей. 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 Исследование Изучение исходов катапультирований Изучение воздействия аэродинамического потока на антропоморфный манекен в условиях наземного аэродинамического стенда (АДС) Изучение нагрузки в позвоночнике антропоморфных манекенов при катапультировании Сравнительное изучение биомеханических реакций антропоморфного манекена и человека на растягивающее усилие Методика Анализ отчетов и актов расследования авиационных происшествий Проведение полунатурных экспериментов с последующим анализом записей усилий в имитаторах позвоночника и шеи антропоморфных манекенов при различных значениях углов установки КК, типах снаряжения и величины скоростного напора Анализ записей перегрузок и усилий в имитаторах позвоночника и шеи антропоморфных манекенов Проведение экспериментов с тремя испытателями и антропоморфным манекеном по моделированию воздействия условий катапультирования и определением реакций между измерительным стендом и манекеном (испытателем) Аппаратура Кол-во - 762 АДС ОАО «НПП «Звезда» КК К-36Д-3.5 Антропоморфный манекен Hybrid–III. Тензовесы ТВ№6С-474 и ТВ№3 в позвоночнике и шее манекена Антропоморфные манекены ADAM Large, ADAM Small, LOIS Акселерометры на КК и манекене фирмы «Entran» типа EGA-125 Тензодатчики серии 1716 в позвоночнике и шее манекена Стенд для определения силы реакции между катапультным креслом и летчиком Антропоморфный манекен Hybrid–III 4 однокомпонентных тензовесов ТВ-«ТензоМ» 19 21 18 8 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. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение посвящено обоснованию актуальности работы, определению цели и задач исследования. В нем отражена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, и дана общая характеристика работы. В первой главе рассмотрены известные способы оценки безопасности воздействия перегрузок катапультирования «голова-таз» на позвоночник летчика. В настоящее время для этого широко используются два основных подхода. Согласно первому способу, изложенному в ряде отечественных нормативных документах, нормируется скорость нарастания перегрузки в направлении «голова – таз» n y , величина перегрузки ny и время ее действия . Аналогичный подход используется и в некоторых западных нормативных документах (MIL-S-18471). Однако при таком задании предельных уровней воздействия ny трудно решать вопрос о безопасности воздействий при изменении во времени значения перегрузки или при временах ее действия, отличных от заданных. Более удобным является второй подход, реализованный в США (MIL-S-9479) и в России (ОСТ В1 02778-2001), основанный на использовании одномассовой математической модели реакции тела человека на ударную перегрузку. Под влиянием динамического воздействия груз, соответствующий телу летчика, деформируя пружину с демпфером, перемещается на определенное расстояние, измеряемое в условных единицах динамической реакции – так называемого индекса динамической реакции (ИДР или DRI). При этом определена связь между значением ИДР и риском получения травмы позвоночника. Оба этих подхода рассчитаны на применение в идеальных условиях – летчик, принявший правильную изготовочную позу, катапультируется из самолета, летящего на относительно небольшой скорости. Поэтому все действующие критерии безопасности перегрузки в направлении «голова – таз» получены исходя из того, что на тело летчика воздействует суммарная, передаваемая через кресло перегрузка, сжимающая его позвоночник. 9 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, из-за 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. Все действующие на сегодняшний день способы создавались исходя из того, что на тело пилота действует только одна сила, пропорциональная перегрузке, которая передается через кресло и сжимает его позвоночник. Однако на самом деле, характер нагружения тела летчика при реальном катапультировании имеет более сложный характер. Общая перегрузка, воздействующая на КК, складывается из нескольких составляющих, часть из которых воздействуют на пилота со стороны кресла, а часть – непосредственно на само тело летчика. Таким силовым фактором, действующим на тело пилота, является в первую очередь аэродинамическая сила, возникающая при покидании самолета на большой скорости и оказывающая воздействие после выхода КК из кабины в поток. Известно, что при катапультировании на больших скоростях полета на шею летчика действуют значительные растягивающие нагрузки. В принципе, через шейный отдел это растягивающее усилие может уменьшать компрессионные силы, сжимающие грудной и поясничный отделы, и тем самым снижать риск получения травмы. Таким образом, существующие методики оценки безопасности катапультирования в вертикальном направлении исключительно по величине общей перегрузки ny и максимальному значению DRI не являются универсальными и нуждаются в уточнении. В связи с этим было проведены экспериментальные и расчетные исследования, направленные на определение влияния воздействия скоростного потока при катапультировании на возможную нагрузку на позвоночник, которые позволили бы скорректировать уровни предельно допустимых величин перегрузок «голова – таз» и методику вычисления DRI. Во второй главе проведены статистические исследования исходов реальных катапультирований и полученных при этом травм летчиков. Проведенный анализ показал, что случаев травмирования позвоночников летчиков в случае покидания ЛА на индикаторных скоростях свыше 900 км/час, в отличие от катапультирования на небольших (до 900 км/час) скоростях, отмечено не было (табл. 2). Поэтому, несмотря на повышенный уровень перегрузок на этих режимах на участке свободного движения КК и воздействия набегающего потока, увеличения частоты переломов позвоночного столба летчиков в наблюдается. Таблица 2. Частота катапультировании Скорость аварийного покидания, км/ч до 900 900 и более Итого 10 процессе катапультирования при этом не травм позвоночника летного состава при Общее кол-во 736 46 782 Все типы КК Летчики с травмами позвоночника Кол-во Доля 49 6,6% 0 0% 49 - Из анализа имеющихся статистических данных по применению КК типа К-36 можно сделать вывод о том, что катапультирование на максимальных скоростях не приводило к повышенному травматизму позвоночника летчика. Таким образом, результаты реальных катапультирований на креслах типа К-36 косвенно подтверждают предположение о наличии разгружающего эффекта набегающего потока воздуха, благодаря которому, при покидании на больших скоростях, несмотря на большие перегрузки, вероятность получения компрессионных травм позвоночника не увеличивается, а снижается. В третьей главе представлены результаты аналитического исследования механизма воздействия на летчика перегрузки «голова таз» при катапультировании на больших скоростях. Для оценки величины усилий, возникающих в позвоночнике летчика в процессе катапультирования, и определения безопасности воздействия динамических условий катапультирования на больших скоростях полета при помощи конечно-разностных методов была исследована динамика катапультируемой системы и рассмотрено действие внешних сил на сидящего в КК летчика. Расчет динамики пространственного движения системы «КК + летчик» показал, что при катапультировании на предельных режимах вертикальные перегрузки ny могут достигать 18…23 ед., а их максимальное значение продолжительностью 0,05…0,08 с приходится как раз на момент запуска РДТТ и начало свободного движения КК в потоке (пример расчетного значения перегрузки ny при индикаторной скорости 1300 км/час приведен рисунке 1, за ноль времени принят момент схода КК с направляющих и запуска РДТТ). 11 24 ny, ед. Запуск штанг 20 Сход КК с направляющих и запуск РДТТ 16 Окончание работы РДТТ 12 8 4 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0 0,00 t,c 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 -4 -8 Рисунок 1 – Расчетные значения перегрузки катапультирования ny Усилие сжатия позвоночника при катапультировании в значительной степени определяется контактными силами, возникающими между летчиком и креслом. Поэтому были проведены расчеты по определению величины этих сил в момент непосредственно после попадания КК в поток и включения РДТТ. Для этого использовались значения полученных ранее аэродинамических характеристик человека, сидящего в КК при различных углах атаки и скольжения катапультируемой системы. Уравнение движения центра масс системы «катапультное кресло + летчик» в системе координат, связанной с КК в общей, векторной форме записи будет иметь следующий вид: M( аэр энер dV V ) F F G , dt где М, V, –масса, линейная и угловая скорости системы «КК + летчик»; аэр энер - векторы аэродинамических сил, силы реакции со , , F F G стороны РДТТ и силы тяжести, действующих на систему «КК + летчик»; С другой стороны, уравнение движения пилота, сидящего в кресле, имеет следующий вид: m( аэр dV1 , V 1) F Ч R G Ч dt где m, V1, - масса и линейная скорость сидящего в КК летчика; аэр - векторы аэродинамических сил, сил реакции со стороны КК , , F R G Ч Ч и силы тяжести, действующих на сидящего в КК летчика; Откуда получается выражение для силы реакции: R аэр энер аэр m d ( ) F Ч m( r ( r )) M F F dt 12 Величина вертикальной проекции силы реакции между КК и сидящем в нем пилотом после схода кресла с направляющих будет определяться выражением: Ry = Ry + Ryq, где Ry = m(xyx – y(x2 + z2)) + mzx – составляющая, связанная с вращением летчика относительно центра масс системы «катапультное кресло + человек» с угловыми скоростями i и угловыми ускорениями i при проекциях расстояния между центром масс летчика и катапультируемой системы x и y; Ryq = - CySЧq – составляющая, определяемая аэродинамическими характеристиками сидящего в КК летчика CySЧ и величиной скоростного напора q. 3000 Ry, Н 2000 1000 t,c 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 -1000 -2000 V=0 км/час V=300 км/час V=600 км/час V=1000 км/час V=1300 км/час -3000 -4000 Рисунок 2 – Изменение вертикальной проекции контактной силы Ry между креслом и летчиком после отделения КК от ЛА (при угле установки кресла =17) Проведенные расчеты позволяют утверждать, что в связи с наличием приложенной к верхней части тела летчика аэродинамической силы вертикальная составляющая контактной силы между летчиком и сиденьем кресла R в момент отделения летчика от кресла и максимальных значений ny будет уменьшаться. Вместе с ней будет уменьшаться и возникающее в поясничном отделе позвоночника под действием суммарной перегрузки катапультирования сжимающее усилие в направлении «голова - таз». Причем это снижение будет примерно пропорционально внешней аэродинамической силе, действующей на катапультируемую систему (рис. 2, где знак «+» указывает на сжимающий характер силы, а знак «-» - на растягивающий). Затем сила реакции может кратковременно увеличиваться, однако этому увеличению соответствует существенное снижение действующей перегрузки ny (рис. 1). 13 Результаты проведенных расчетов показали, что одному и тому же значению вертикальной перегрузки, действующей на систему «летчик-кресло» и зарегистрированному датчиками, установленными на КК, могут соответствовать, в зависимости от режима катапультирования, различные значения вертикальной контактной силы, определяющей сжатие позвоночника. Это обусловлено тем, что величина контактной силы определяется помимо вертикальных перегрузок угловым движением системы при несовпадении центра масс системы «КК + кресло» и центра масс летчика, а также аэродинамическими характеристиками облаченного в летное снаряжения пилота, сидящего в КК. В четвертой главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований особенностей воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях При проведении численных оценок изменения контактной силы использовались аэродинамические характеристики летчика, сидящего в КК. Однако методически точно определить значения аэродинамических характеристик летчика весьма затруднительно, и полученные на основании исследований в аэродинамической трубе значения аэродинамических сил могут иметь достаточно большую погрешность. Кроме того, на основании интегральных аэродинамических характеристик летчика могут быть рассчитаны лишь аэродинамические силы, действующей на все тело целиком, тогда как на возможное изменение усилия в позвоночнике будет влиять в основном сила, воздействующая на верхнюю часть туловища пилота – на его голову, плечевой пояс и грудь. Именно эта сила будет создавать разгружающий эффект, снижающий сжимающие усилия, возникающие в позвоночнике летчика под действием перегрузок катапультирования в направлении «голова-таз». Поэтому, для подтверждения наличия эффекта снижения усилий, возникающих в позвоночнике летчика под действием скоростного напора при катапультировании на больших скоростях, был проведен целый ряд экспериментальных исследований. Основными объектами этих исследований были антропоморфные манекены Hibryd-III, ADAM и LOIS. Эти манекены были в свое время созданы таким образом, что их антропометрические и динамические характеристики максимально соответствуют характеристикам реальных людей (пилотов). Прежде всего, проведена серия экспериментов на аэродинамическом стенде (АДС) с использованием антропоморфного манекена, целью которых являлось подтверждение наличия вертикальной аэродинамической силы, воздействующей на верхнюю 14 часть тела пилота, а также определение ее величины и зависимости этой силы от скоростного напора и угла атаки КК. 350 F, Н 300 Усилие в пояснице 250 Усилие в шее 200 150 100 50 0 17 22 30 Угол установки КК, град Рисунок 3 – Растягивающие усилия в поясничном и шейном отделах имитатора позвоночного столба антропоморфного манекена Hybrid-III по результатам испытаний на АДС при индикаторной скорости 1300 км/час Результаты испытаний на аэродинамическом стенде свидетельствуют о том, что при покидании самолета на больших скоростях аэродинамическая сила, действующие на голову и верхнюю часть туловища летчика при выходе КК из кабины в поток, оказывает растягивающее действие на позвоночник (рис. 3, 4). 3500 F, Н 3000 2500 2000 1500 1000 500 Vi, км/час 0 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Рисунок 4 – Зависимость растягивающего усилия в поясничном и шейном отделах имитатора позвоночного столба антропоморфного манекена Hybrid-III от индикаторной скорости Vi при =17 по результатам испытаний на АДС Следовательно, в условиях реального катапультирования эта сила будет способствовать снижению суммарного сжимающего усилия, возникающего в позвоночнике под действием перегрузок «голова – таз». Величина этой силы прямо зависит от скоростного потока и обратно - от угла, под которым кресло оказывается в потоке. Далее были проанализированы результаты экспериментальных катапультирований антропоморфных манекенов с замерами перегрузок в направлении «голова - таз» и прямым измерениями усилий, возникающих в различных отделах имитатора позвоночного 15 столба. Целью этого анализа было подтвердить наличие и установить величину эффекта уменьшения под воздействием набегающего потока сжимающих усилий в позвоночнике в условиях реальной динамики катапультирования. Анализ результатов экспериментальных катапультирований кресел К-36ДМ и К-36Д-3.5 с антропоморфными манекенами также показал, что максимальные уровни перегрузки в направлении «голова – таз», зафиксированные на КК и в манекенах определяют реальные сжимающие силы, действующие на позвоночник, лишь на этапе связанного движения, а также на активном участке, но при небольших скоростных напорах. При больших скоростях воздействие условий катапультирования приводит к существенному снижению усилий max сжатия позвоночника (рис. 5). Fy/ny , Н/ед. 40 (а) 35 30 25 20 15 10 5 q, кгс/м2 q10-1, Н/м2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 ADAM LARGE 7000 8000 9000 LOIS 40 Fy/nymax, Н/ед. 35 (б) 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 ADAM LARGE 4000 5000 6000 7000 8000 q10-1, Н/м2 9000 LOIS Рисунок 5 – Соотношения максимальных значений усилий и перегрузок в имитаторе поясничного столба антропоморфных манекенов в ходе катапультирований К-36Д-3.5 на различных скоростях (а – на связанном участке, б – на активном участке) Таким образом, проведенные экспериментальные работы подтвердили наличие эффекта частичного разгружения позвоночника и определили величину аэродинамической силы, воздействующей на туловище антропоморфного манекена при катапультировании на 16 больших скоростях, а также установили прямую связь между действующим на манекен скоростным напором и уменьшением усилий сжатия, возникающих в имитаторе позвоночного столба сидящего в КК антропоморфного манекена. Для подтверждения допустимости использования экспериментальных данных, полученных с использованием антропоморфных манекенов, при корректировке существующих на сегодняшний день критериев безопасности применения КК, была выполнена экспериментальная работа, призванная сравнить динамические реакции тела человека и антропоморфного манекена на условия катапультирования. Серия сравнительных исследований, проведенных с участием испытателей и с использованием антропоморфного манекена HybridIII, позволила подтвердить, что их динамические реакции на воздействие, аналогичное тому, что возникают при катапультировании на больших скоростях во время выхода кресла в поток, различаются не более, чем на 10…15% как по амплитуде, так и по скорости изменения и суммарному импульсу силы (рис. 6). Некоторое запаздывания фазы изменения нагрузки и отсутствие более высокочастотных гармоник изменения контактной силы для тела человека существенно не влияют на восприятие элементами его позвоночника действующей нагрузки. Следовательно, все количественные и качественные выводы по влиянию на безопасность применения КК условий катапультирования, сделанные на основании анализа экспериментальных данных, полученных с использованием антропоморфных манекенов, можно напрямую распространить на летчиков. 50 -1 R, Н*10 40 30 (2) 20 (1) Реакция человека (с довер. инт-ом 0.9) (1) Реакция манекена (с довер. инт-ом 0.9) (2) 10 t, c 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -10 Рисунок 6 – Изменение контактной силы между КК и сидящем в нем испытателем/антропоморфным манекеном при их вертикальном нагружении Таким образом, на основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что существующие критерии оценки допустимости воздействия 17 перегрузок в направлении «голова-таз» при катапультировании справедливы либо до индикаторных скоростей порядка 900 км/час, либо, на больших скоростях – только на связанном участке движения КК. При попадании же летчика в поток на большой скорости на верхнюю часть его тела действует аэродинамическая сила, которая может частично разгружать позвоночник, испытывающий сжимающую нагрузку от перегрузки катапультирования в направлении «голова – таз». Следовательно, несмотря на то, что при катапультировании на больших скоростях на систему «КК + летчик» воздействуют повышенные перегрузки в направлении «голова – таз», безопасность однократного применения КК типа К-36 при прочих равных условиях не снижается, а повышается. В пятой главе, основываясь на полученных экспериментальных и теоретических данных, были созданы и апробированы методики оценки допустимости воздействия перегрузки катапультирования «голова - таз», учитывающие особенности воздействия условий катапультирования на больших скоростях. 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 «головатаз», 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 18 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 К36 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 попрежнему 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). nyдоп28, 27 ед. 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 400 (1) (2) (3) (1) Угол установки кресла 17 град (2) Угол установки кресла 22 град (3) Угол установки кресла 30 град Vi, км/час 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 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 19 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). F2 m2 kС k c x2 m1 F1 x1 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) n , g 2 2 2 d (t ) + 2 n d (t) +(1+) n (t ) = (ny(t)-cos)g – F2/m2; 2 dt dt 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, 20 m2 – масса верхней части тела сидящего в КК летчика, участвующая в нагружении позвоночника; 2 V F2(t) = Fаэро0(Vi0, (t))KL 0 g nx (t ) dt + ( z2 (t ) x2 (t )) ; 0 V0 tk где (t) = + z (t )dt - приближенное значение угла атаки КК; 0 – 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) n ; g 2 21 d (t ) + 2 n d (t) + n (t ) = (ny(t)-cos)g /A. 2 dt dt 2 2 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. m m k c c k /A 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). 1.6 А (1) (2) (3) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 (1) Угол установки кресла 17 град 0.8 (2) Угол установки кресла 22 град 0.7 0.6 400 (3) Угол установки кресла 30 град Vi, км/час 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 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 22 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. 23 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 24 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 инерционномассовых 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 25 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.
