鄭亞明

某輕型飛機(jī)駕駛員座椅裝機(jī)動(dòng)態(tài)水平?jīng)_擊試驗(yàn)分析

鄭亞明

本文介紹了某輕型飛機(jī)駕駛員座椅裝機(jī)動(dòng)態(tài)水平?jīng)_擊適航驗(yàn)證試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程，包括試驗(yàn)設(shè)施、試驗(yàn)構(gòu)型篩選、試驗(yàn)件安裝和試驗(yàn)方法。并針對(duì)試驗(yàn)后的結(jié)果進(jìn)行了分析和評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明該輕型飛機(jī)駕駛員座椅及其周圍環(huán)境能夠有效降低駕駛員在水平墜撞環(huán)境中的傷害。

在某輕型飛機(jī)座椅裝機(jī)動(dòng)態(tài)水平?jīng)_擊試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)前座椅按要求已經(jīng)取得CTSOA，所以座椅本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)得到驗(yàn)證，試驗(yàn)主要檢驗(yàn)的是座椅與機(jī)身的連接強(qiáng)度，以及座椅和周圍結(jié)構(gòu)組成的生存環(huán)境對(duì)乘員的保護(hù)能力。由于在該輕型飛機(jī)上安全帶的定位點(diǎn)在機(jī)身結(jié)構(gòu)上，使得安全帶的耐撞性能凸顯出來(lái)。按照中國(guó)民航適航規(guī)章CCAR-23-R3中第23.562條的要求，駕駛員座椅安全帶與機(jī)身的連接要承受先前至少26g沖擊載荷的考驗(yàn)。

某輕型飛機(jī)座椅裝機(jī)動(dòng)態(tài)水平?jīng)_擊試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)施

該水平?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)施屬于試驗(yàn)設(shè)施中的減速式滑車設(shè)備，在試驗(yàn)中以減速度形式產(chǎn)生沖擊脈沖，模擬飛機(jī)在墜撞過(guò)程中的載荷施加方式。減速式滑車試驗(yàn)臺(tái)示意圖，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)件、試驗(yàn)假人通過(guò)試驗(yàn)安裝架固定在滑車安裝平面上，通過(guò)拖動(dòng)裝置將滑車沿軌道拉出一定距離，這個(gè)過(guò)程中，與滑車連接的彈性繩不斷被拉緊，然后電控裝置釋放滑車，在彈性繩的牽引下，使滑車達(dá)到預(yù)定的速度，當(dāng)滑車前端沖桿撞入液體緩沖器后，產(chǎn)生預(yù)期的沖擊脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖器來(lái)滿足試驗(yàn)的沖擊脈沖要求。試驗(yàn)中通過(guò)光測(cè)系統(tǒng)記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程；電測(cè)系統(tǒng)中測(cè)速裝置用來(lái)測(cè)量加速度，數(shù)據(jù)采集器用來(lái)測(cè)量及記錄假人頭部運(yùn)動(dòng)加速度曲線、肩帶載荷曲線等測(cè)量結(jié)果。

試驗(yàn)件構(gòu)型篩選

沖擊時(shí)，該輕型飛機(jī)約束系統(tǒng)將力傳給周身結(jié)構(gòu)，因此需將座椅、約束系統(tǒng)和周身結(jié)構(gòu)和設(shè)備一起作為試驗(yàn)件進(jìn)行考慮。受試驗(yàn)條件限制和從經(jīng)濟(jì)性、安全性方面考慮，不能拿整機(jī)及艙內(nèi)全部安裝設(shè)備來(lái)完成該試驗(yàn)，因此要對(duì)試驗(yàn)件的構(gòu)型進(jìn)行篩選，原則如下。

1）應(yīng)完整保留在沖擊載荷作用下，座椅、約束系統(tǒng)傳力路徑中的承力結(jié)構(gòu)。

2）應(yīng)完整保留在沖擊載荷作用下，頭部運(yùn)動(dòng)包線范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)件和設(shè)備。

3）應(yīng)完整保留座艙段主要承力及加強(qiáng)件，對(duì)座艙段試驗(yàn)件承力沒(méi)有影響或影響很小的結(jié)構(gòu)件可不安裝。

4）為模擬在應(yīng)急著陸情況下，駕駛員操縱飛機(jī)時(shí)的坐姿，應(yīng)提供相關(guān)支持設(shè)備，包括駕駛盤和腳蹬等。

試驗(yàn)件安裝

由于座椅在座艙內(nèi)對(duì)稱分布，試驗(yàn)時(shí)每排只需安裝一把座椅。該試驗(yàn)采用“左偏右座”方式，即試驗(yàn)件處于水平狀態(tài)且飛機(jī)垂直對(duì)稱面相對(duì)撞擊方向向左偏航10°無(wú)俯仰，并在座艙右部安裝座椅及約束系統(tǒng)。這是因?yàn)楦鶕?jù)力的分解原理，向左偏航的假人，在沖擊時(shí)受到一個(gè)向右的分力促使假人頭部及軀干有向右傾斜趨勢(shì)，從而與右側(cè)結(jié)構(gòu)碰撞的概率較大。試驗(yàn)平臺(tái)上待試座椅及約束系統(tǒng)固定件應(yīng)與安裝該座椅及約束系統(tǒng)的飛機(jī)固定件相同。

試驗(yàn)安裝架與試驗(yàn)件的連接應(yīng)能承受沖擊載荷的作用，并能將載荷真實(shí)準(zhǔn)確地傳遞至試驗(yàn)件上。該試驗(yàn)試驗(yàn)件在滑車上的安裝，見(jiàn)圖3。

圖1　減速式滑車試驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖2　試驗(yàn)脈沖波形

圖3　安裝好假人的座椅-滑車試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)方法

1） 在水平?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)施上調(diào)試出滿足如下要求的試驗(yàn)脈沖波形。

a）最小碰撞速度：12.80 m/s；

b）最大tr： 50 ms；

c）最小負(fù)加速度峰值gmin：26 g；

d）脈沖波形見(jiàn)圖2。

2）按照已經(jīng)批準(zhǔn)的圖紙要求，將試驗(yàn)件（包括座椅及約束系統(tǒng)）通過(guò)試驗(yàn)安裝架固定在試驗(yàn)滑車上，如上圖3；然后按照要求布置和定位假人坐姿，并調(diào)試電測(cè)系統(tǒng)和光測(cè)系統(tǒng)。

3）試驗(yàn)前、后從不同方向（至少4個(gè)方向）對(duì)試驗(yàn)件和假人狀態(tài)進(jìn)行拍照。

4）試驗(yàn)后檢查試驗(yàn)的全部數(shù)據(jù)記錄，判斷試驗(yàn)是否合格。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4　假人及座椅在2ms時(shí)的響應(yīng)

圖5　假人及座椅在18ms時(shí)的響應(yīng)

圖6　假人及座椅在34ms時(shí)的響應(yīng)

圖7　假人及座椅在50ms時(shí)的響應(yīng)

① 試驗(yàn)時(shí)座椅、約束系統(tǒng)及假人的變形情況

從圖4—圖8可以看出在滑車碰到緩沖器后，假人由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。在0-18ms內(nèi)，假人由于慣性前移，但坐姿并沒(méi)發(fā)生明顯改變。從18ms時(shí)刻起，假人腹部開(kāi)始受到安全帶腰帶顯著的約束，假人下體向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)減弱。假人上體也開(kāi)始受到安全帶肩帶的約束，但仍繼續(xù)向前作俯沖運(yùn)動(dòng)，手臂向前飛出。由于偏航10度的影響，假人上體有向右傾斜趨勢(shì)。在34ms假人頭部俯沖到達(dá)前方臨界點(diǎn)后開(kāi)始回彈。在50ms后，假人上軀干回彈運(yùn)動(dòng)被座椅靠背阻止；頭部由于沒(méi)有頭靠約束，繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)。

② 試驗(yàn)后座椅及約束系統(tǒng)檢查結(jié)果

1） 座椅及約束系統(tǒng)無(wú)明顯的變形、位移或撞損，試驗(yàn)后仍可以約束住假人；

2） 座椅及約束系統(tǒng)與試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的連接保持完好。圖5為試驗(yàn)后照片。

③ 試驗(yàn)后測(cè)量結(jié)果與分析

圖8　假人及座椅在66ms時(shí)的響應(yīng)

表1　試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

1）關(guān)于沖擊脈沖波形分析

本文試驗(yàn)討論的沖擊波形是一個(gè)理想的等腰三角形，實(shí)際的試驗(yàn)波形與理想的波形是不一樣的，有必要對(duì)這些實(shí)際試驗(yàn)波形進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)分析，該試驗(yàn)脈沖波形（見(jiàn)圖6）滿足SAE 8049A附錄A“評(píng)估沖擊脈沖波形的方法”中全部五項(xiàng)要求。

2）關(guān)于假人損傷分析

頭部傷害指標(biāo)（HIC）達(dá)到適航標(biāo)準(zhǔn)要求，頭部最大加速度為64.25g。

肩帶載荷達(dá)到適航標(biāo)準(zhǔn)要求。

股骨軸向壓縮載荷不是試驗(yàn)要求考核的目標(biāo)，對(duì)其測(cè)量?jī)H作為參考。假人右腿在碰撞中與儀表板下緣發(fā)生了接觸，有受傷風(fēng)險(xiǎn)。

④ 關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

從試驗(yàn)錄像和試驗(yàn)后檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)：整個(gè)碰撞過(guò)程中，座椅、安全帶、機(jī)身結(jié)構(gòu)及其連接都保持完好，未發(fā)生明顯的位移、脫落和破損，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理；腰帶一直保持在假人骨盆上；肩帶也被及時(shí)拉出，并始終保持在假人肩上；假人頭部并未與艙內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生二次碰撞。

圖9　試驗(yàn)后假人和試驗(yàn)件狀態(tài)

圖10　試驗(yàn)沖擊脈沖波形曲線

總結(jié)

從以上試驗(yàn)結(jié)果和分析看，由于駕駛員座椅及周身環(huán)境的合理布置和保護(hù)，假人頭部傷害值（HIC）、肩帶載荷等都在適航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格范圍內(nèi)。因此，該輕型飛機(jī)座艙結(jié)構(gòu)、座椅及安全帶組成的系統(tǒng)能夠有效的降低駕駛員在水平墜撞環(huán)境中的傷害。但在水平墜撞環(huán)境中，由于駕駛員座椅及周身環(huán)境的緊湊性，駕駛員腿部與儀表板相撞仍有受傷的可能性，今后可對(duì)駕駛員腿部碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.009