电子式供氧抗荷调节器一体化技术研究
随着航空技术的不断进步，四代机以及五代机凭借其高机动性、先进的航电性能、高度集成化等特点逐渐成为制空的主力，然而战斗机在性能提升的同时对飞行员的防护装备也提出了更严格的要求。供氧和抗荷作为飞行员个人防护装备中的关键环节，重要性也愈加明显。现役的供氧和抗荷系统彼此独立，供氧系统主要以肺式供氧为主，因其性能稳定的特点一直延用至今，但其响应速度慢、调节精度差等缺点已不能满足现有高机动性下作战的需求。同时，目前以抗荷服为主的抗荷系统，其抗荷性能的优劣主要依赖充气速度，这也与飞行员腹部的舒适性密切相关。 本文以显著提高供氧响应速度、提高飞行员抗荷服的舒适性为目标，从理论推导、数值仿真及实验模拟等方面对飞行员的供氧抗荷系统所涉及的关键技术如：高精度控制系统、供氧抗荷一体化设计等方面展开研究，具体的研究内容如下： (1)供氧抗荷调节机构方案设计及优化。通过分析现有的机械式供氧调节器的优缺点，基于数字控制技术提出了一种新的供氧调节器。同时，推导了活门流量与开度的关系式，确定了在入口最大供氧量为250L/min、过载为+9G极限工况下的供氧活门面积，并拟合了在8000m以下进行混合供氧时供氧活门开度以及空气活门开度的关系公式，以及在8000m以上供应纯氧时流量和活门开度的关系。此外，建立活门开度与供氧量关系的数学模型，通过模拟得到在不同高度不同开度情况下供氧量的曲线，据此，论证所设计供氧系统在作战时的供氧能力。进一步，论文研究了过载对所设计供氧系统性能的影响，分析了+5G、+6G、+9G情况下氧调器的工作性能，通过对氧调器出口质量流量对比，验证了其在各种过载条件下的供氧性能稳定的特点。最后，对氧调器的控制规律进行优化，使其满足飞行员在有0.7kPa预充压的情况下抗荷调节的需要。 (2)供氧抗荷调节器一体化策略。在考虑飞行姿态、载荷对供氧抗荷系统影响的情况下，采用一体化设计策略对上述设计的氧调器和抗荷调节器进行封装和匹配。首先，基于飞机不同飞行状态下对设备的影响，把电源和DSP分别放置在设备的两侧，使得两侧的重量得以平衡，防止在飞行中产生不必要的力矩。其次，本文结合小生境技术、领域选择、SBX交叉和多项式变异等多个高性能的遗传算子，发展了一种高性能的小生境技术遗传算法，对氧调器和抗调器进行了一体化设计优化。研究结果表明，新算法能够稳定地获得全局最优解，为氧调器和抗调器进行一体化设计提供一种可靠和通用的优化设计方法。 (3)控制方式以及元器件定型。现有的机械式结构中氧调器存在控制方式精度不高、响应时间长的缺点，会导致调节的不及时性。本文对氧调器供氧量采用音圈电机推动活门开闭的方式进行控制，对抗调器的控制主要采用加速度传感器的方式来获得+G值，然后通过电机打开活门，控制抗荷服的充气量。同时，本文基于数字化控制模式对上述充气方式进行控制，并提出了详细的硬件设计方案。 (4)实验验证。基于高空低压仓对上述样机进行性能测试实验。采用分子筛制氧作为氧源供氧，通过压力调节器来控制入口压力，使其不超过0.35MPa。试验测试了肺通气量分别为20L/min、30L/min、44L/min三种状态在不同高度情况下面罩内的余压以及呼吸阻力的数值。试验结果表明：呼吸的阻力最高发生在肺通气量为44L/min的情况下，此时的最大值仍能满足呼吸波动小于1.76KPa的GJB-1013的要求。同时，试验模拟了在15km、16km、18km三种高度状态下的加压供氧性能，经测试后发现衣压和余压的比值能够满足3.2：1的设计要求。在测试随动性试验中，本文测试了在不同高度发生迅速减压时氧调器和抗调器的工作状态，发现能够满足5s参数等衡量指标。将试验件装配于离心机上进行过载增长率为6G/s的情况下过载值为+5G、+6G和+9G的抗荷性能试验，得到的实测值能够满足技术指标。因此进一步验证了本文设计方案的准确性。
电子式供氧;抗荷调节器;一体化技术;遗传算法;航空技术
南京航空航天大学
博士
人机与环境工程
方贤德
2017
中文
V245.31;V244.1
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）