一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅及姿态修正方法

1.本发明涉及航空航天救生领域，尤其涉及应用矢量爆轰推进的弹射座椅及姿态修正方法。


背景技术：

2.弹射座椅是飞行员紧急逃生的载体，在飞机失去控制时将飞行员弹射出舱，越过飞机尾翼，实现飞行员安全跳伞。但在实际飞行过程中，面临着各种极端恶劣的飞行条件，增加了弹射救生的不确定性。同时，弹射出仓后的弹射座椅相当于一个复杂的飞行器，弹射高度、弹射角度无法准确预测，对低空不利姿态(图3所示)下的安全救生增加了难度。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅及姿态修正方法，通过模块化的弹射程序来执行相应的弹射步骤，控制弹射逃生的时间尺度。爆轰动力装置推重比大，燃烧效率高，结构简单，对于弹射座椅这种高而精的逃生系统，是非常理想的动力装置。以此实现低空条件下的弹射救生难题，达到座椅姿态修正，提升离地高度，达到安全救生目的。
4.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
5.一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅，包括座椅，所述座椅上设置有束缚装置、锁紧装置、滑行轨道、集成电路控制系统、燃料舱和火箭包；所述束缚装置用来束缚座椅上的人员，锁紧装置用来启动束缚装置；所述滑行轨道设置在座椅椅背上，滑行轨道能够沿滑轨滑动；所述集成电路控制系统用来控制座椅上设置的电路系统；所述燃料舱和爆轰燃烧室设置在座椅底部；所述燃料舱和火箭包用来提供动力源。
6.上述方案中，所述燃料舱和火箭包内的燃料和进气管道内的气体进入爆轰燃烧室后在高频脉冲点火器点火后产生能量用来推动座椅。
7.上述方案中，还包括数个单向电动阀，所述单向电动阀的开闭通过集成电路控制系统控制。
8.上述方案中，还包括角度传感器；所述角度传感器用来监测并传输座椅的弹射角度给集成电路控制系统。
9.上述方案中，所述火箭包和燃料舱均有两个；所述火箭包和燃料舱上都安装有单向电动阀和高频脉冲点火器。
10.上述方案中，所述爆轰燃烧室出口端设置有导流台。
11.上述方案中，所述集成电路控制系统为单片机。
12.一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅的姿态修正方法，包括如下步骤：
13.划分弹射模式：p1：高空弹射跳伞，h》300m；p2：低空小角度弹射跳伞，h≤300m，0
°
≤α≤30
°
、150
°
≤α≤180
°
；p3：低空大角度弹射跳伞，h≤300m，30
°
《β《150
°
；p4：低空负角度弹射跳伞，h≤300m，180
°
《γ《0
°
；将弹射模式p1、p2、p3、p4的划分参数通过代码保存至集成
电路控制系统；
14.设定弹射执行步骤：通过程序优先级别和延时时间执行每一个运行程序；弹射指令响应后，运行程序包括激活锁紧装置、火箭包点火和弹射模式选择、动力装置响应；
15.飞行平台和角度传感器分别将高度和角度信号持续传输到集成电路控制系统中，在飞行员做出弹射动作时，根据高度和角度两个状态参数为识别对象，判断出弹射模式；
16.弹射指令发出后，集成电路控制系统按照程序执行弹射步骤：首先激活锁紧装置，通过带动束缚装置将人员身体固定在座椅上；
17.延时时间结束后执行点火程序，火箭包起爆，使座椅沿滑行轨道弹出座舱；
18.控制系统根据弹射时的角度传感器信号和飞行高度信号做出应答，执行四种模式中的一种程序预案；
19.爆轰矢量动力系统在相应的弹射程序控制下进行工作，p1模式下，动力点火程序不响应，动力装置不工作，p2、p3、p4模式下，动力装置启动；
20.p2、p3、p4模式中，输出的程序指令包括单向电动阀启停、高频脉冲点火器响应，工作时单向电动阀首先开启，然后高频脉冲点火器点火工作。
21.上述方案中，p3模式下，点火程序控制燃烧室和火箭包同时启动，提供升力；p2、p4模式下，弹射方向和水平面夹角小的一侧爆轰燃烧室先工作，在与导流台的作用下改变座椅姿态，过渡到p3模式，0.5s后，另一侧的爆轰燃烧室点火燃烧，向上运动。
22.上述方案中，不同模式下的弹射角度α、β范围能够调整，通过修改集成电路控制系统里的角度参数上下限进行更改。
23.本发明具有以下有益效果：
24.1.本发明设计的一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅装置及姿态修正方法，能有效提升弹射救生安全性，模块化的弹射方案和程序自动控制步骤，执行速度快，且模块划分简单，状态控制参数少，可靠性高。
25.2.集成电路控制系统以弹射模式p1、p2、p3、p4为约束条件，不同模式设定不同的执行步骤，执行步骤通过电脑编译程序写入集成电路控制系统，在触发弹射时能快速响应，提升控制效果。同时，采用爆轰燃烧为动力，爆轰燃烧过程相当于等容燃烧，具有更高的热效率，推重比更大，此外，爆轰还具有自增压能力，在动力推进系统中不再需要涡轮增压设备，大幅度简化系统结构，能很好的应用到航空弹射座椅上。
26.3.p2、p3、p4的参数划分范围可以根据弹射需求进行修改，通过修改程序控制系统的约束参数来实现，不需要再次建立新的程序控制结构。
27.4.通过传感器获取状态参数映射到控制系统约束区间中，实现弹射模式的确定，技术方案应用成熟，能够满足实际要求。
附图说明
28.图1是本发明提供的爆轰矢量推进弹射座椅总体结构示意图；
29.图2是本发明提供的爆轰矢量推进装置结构示意图；
30.图3是本发明模式划分示意图。
31.附图标记如下：
32.1束缚装置；2锁紧装置；3滑行轨道；4集成电路控制系统；5电源；6角度传感器；7燃
料舱；8爆轰燃烧室；9导流台；10火箭包；11进气管道；12高频脉冲点火器；13单向电动阀。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅，包括座椅，所述座椅上设置有束缚装置1、锁紧装置2、滑行轨道3、集成电路控制系统4、燃料舱7和火箭包10；所述束缚装置1用来束缚座椅上的人员，锁紧装置2用来启动束缚装置1；所述滑行轨道3设置在座椅椅背上，滑行轨道3能够沿滑轨滑动；所述集成电路控制系统4用来控制座椅上设置的电路系统；所述燃料舱7和爆轰燃烧室8设置在座椅底部；所述燃料舱7和火箭包10用来提供动力源。
36.其中，所述燃料舱7和火箭包10内的燃料和进气管道11内的气体进入爆轰燃烧室8后在高频脉冲点火器12点火后产生能量用来推动座椅。
37.还包括数个单向电动阀13，所述单向电动阀13的开闭通过集成电路控制系统4控制。
38.还包括角度传感器6；所述角度传感器6用来监测并传输座椅的弹射角度给集成电路控制系统4。
39.所述火箭包10和燃料舱7均有两个；所述火箭包10和燃料舱7上都安装有单向电动阀13和高频脉冲点火器12。
40.所述爆轰燃烧室8出口端设置有导流台9。
41.所述集成电路控制系统4为单片机。
42.一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅和姿态修正方法，具体包括以下步骤：
43.(1)一种爆轰矢量推进弹射座椅，弹射模式有以下四种，分别为p1：高空弹射跳伞，h》300m；p2：低空小角度弹射跳伞，h≤300m，0
°
≤α≤30
°
、150
°
≤α≤180
°
；p3：低空大角度弹射跳伞，h≤300m，30
°
《β《150
°
；p4：低空负角度弹射跳伞，h≤300m，180
°
《γ《0
°
。
44.(2)p1、p2、p3、p4的划分参数通过代码保存至集成电路控制系统4，集成电路控制系统4为可以编写程序的单片机，编译过程比较简单，容易实现；
45.(3)编入集成电路控制系统4的程序包括启动束缚装置1、火箭包起爆、判断弹射模式、爆轰推力系统响应几个模块，通过划分程序优先级和延迟时间来决定程序执行步骤，每一步执行程序之间设定有延时时间，在延时结束后执行下一个程序；
46.(4)飞行平台和角度传感器6分别将高度和角度信号持续传输到集成电路控制系统中，在飞行员做出弹射动作时，根据高度和角度两个状态参数为识别对象，判断出弹射模式；
47.(5)弹射指令发出后，控制系统按照程序执行弹射步骤，首先激活锁紧装置2，锁紧装置2工作时提供的拉力约为130n，通过带动束缚装置1将飞行员身体固定在座椅上；
48.(6)随后，延时时间结束后执行点火程序，火箭包起爆，使座椅沿滑行轨道弹出座舱；
49.(7)控制系统根据弹射时的角度传感器信号和飞行高度信号做出应答，执行四种模式中的一种程序预案，四种模式下的执行程序不同；
50.(8)爆轰矢量动力系统在相应的弹射程序控制下进行工作，p1模式下，动力点火程序不响应，动力装置不工作，p2、p3、p4模式下，动力装置启动；
51.(9)p2、p3、p4模式中，输出的程序指令包括单向电动阀启停、高频脉冲点火器响应，工作时单向电动阀首先开启，0.1s后高频脉冲点火器点火工作；
52.(10)p3模式下，点火程序控制四个燃烧室同时启动，提供推力沿弹射方向继续向上运动；
53.(11)弹射模式为p2、p4时，点火程序以弹射方向和水平面夹角小的一侧为触发对象，即弹射方向和水平面夹角小的一侧先点火，0.5s后，另一侧燃烧室点火工作。首先，夹角小的一侧两个爆轰燃烧室工作后，与导流台相互作用改变座椅角度。导流台的作用是：导流台垂直于地面方向，燃烧室由于倾角的变化，使导流台与燃烧室壁面之间的间隙大小不一致，呈现倾斜一侧间隙小，背离倾斜侧间隙大，导致爆轰产物通过流量和膨胀加速效果不同，产生大小不同的力矩，达到纠正座椅不利姿态的目的，随后，延时0.5s后，另一侧的爆轰燃烧室在点火程序控制下点火工作，同时提供向上的升力，增加落地高度。
54.不同模式下的弹射角度α、β范围能够调整，通过修改控制系统里的角度参数上下限进行更改。
55.安装在座椅靠背后电源为控制系统、高频脉冲点火器12、单向电动阀13、角度传感器6、锁紧装2置供电。
56.座椅背部的滑行轨道3与飞行座舱部件嵌入连接，在弹射时，按照滑行轨道路径向上弹出。
57.角度传感器6水平安装在座椅下方。
58.火箭包10和燃料舱7通过支撑台座固定在座椅下方，成圆周形交替分布，燃料舱里为压力较高的预混气。
59.单向电动阀13、高频脉冲点火器12和导流台9都呈十字形安装，单向电动阀13安装在燃烧室进气端，使进入燃烧室的气体无法回流；高频脉冲点火器12成对向分布安装在爆轰燃烧室头部位置，导流台9安装在爆轰燃烧室尾部。
60.束缚装置1具备防静电、阻燃功能。
61.推力燃烧室尾部以拉法尔喷管作为排放形式，拉法尔喷管能够使爆轰产物得到充分加速，提高推力性能。
62.一种应用矢量爆轰推进的弹射座椅的姿态修正方法，包括如下步骤：
63.步骤一：根据参数设定范围划分弹射模式，以此为基础，编写不同模式下的程序执
行方案；其中，p1状态约束参数为h》300m；p2为h≤300m，0
°
≤α≤30
°
、150
°
≤α≤180
°
；p3为h≤300m，30
°
《β《150
°
；p4为h≤300m，180
°
《γ《0
°
，通过选取高度和角度两个关键的参数群为约束条件，将对应程序保存到集成电路控制系统中；
64.步骤二：按照弹射步骤划分程序优先级，不同程序过度之间设置延时时间，延时时间结束后下一程序执行；
65.步骤三：编入集成电路控制系统的程序包括启动束缚装置、火箭包起爆、判断弹射模式、爆轰推力系统响应几个模块；
66.步骤四，弹射时，飞行高度和弹射角度信号映射到控制系统中，通过参数区间判断执行相应的弹射模块程序。
67.实施方案
68.首先，弹射程序启动后，在电力驱动下锁紧装置牵动束缚装置固定飞行员身体，随后，达到延时时间后，输出点火指令，火箭包快速反应形成推力，沿滑行轨道弹离座舱；在弹射同时，飞行高度和弹射角度信号映射到控制系统中，通过参数区间执行相应的弹射模块程序。
69.方案一：p1模式，高度足够，滞空时间充裕，落地时与地面冲击较小，点火程序不响应，动力装置不工作；
70.方案二：p3模式，点火程序控制四个燃烧室同时启动，提供推力沿弹射方向继续向上运动；
71.方案三：p2、p4模式下，低空弹射，落地速度太大，动力装置启动，根据弹射角度设置点火程序，弹射方向和水平面夹角小的一侧爆轰燃烧室先工作，与导流台的作用下改变座椅角度，过渡到p3模式，0.5s后，另一侧的爆轰燃烧室点火工作，同时提供向上的升力，增加落地高度。
72.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。