張孝強，王 偉*，趙 展

（1.海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433；2.上海理工大學，上海 200093）

0 引言

艦載機阻攔著艦的事故風險較大，除阻攔失敗墜海、爆炸事故造成飛行員彈射跳傘外，對于完成阻攔迫降的甲板事故中，飛機受損、飛行員受沖擊失能的概率較高，需要盡快實施離機救援。對此類戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)失能或危重傷員進行醫(yī)學救援時，盡快使其脫離危險空間，同時盡量避免出現(xiàn)二次或繼發(fā)性損傷是救援的關(guān)鍵[1]。此類傷員多因沖擊、擠壓等造成頭頸或脊柱傷情，在離機救援前必須開展固定防護以避免傷情加重[2]。相比肢體的骨折，頭頸、軀干或脊柱損傷等不僅危及生命，更直接影響救援操作、傷員搬運等過程，處置相對困難[3]。

根據(jù)功能和作用的不同，現(xiàn)有的頭頸軀干（或半身）一體化固定裝置主要分為頭頸胸矯形器、軀干（脊柱）夾板、脫困（救援）裝具等，如圖1~3所示。頭頸胸矯形器側(cè)重于人員體態(tài)固定與矯形，不適用于傷員救護過程；軀干（脊柱）夾板雖可用于救護傷員并提供半身固定防護，但不適于吊運且缺少必要的頸部支撐功能；脫困（救援）裝具盡管具有良好的頭頸軀干固定防護能力，也適于傷員吊運，卻因“包裹”過度而不適于戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)的快速展開使用。本文在分析現(xiàn)有戰(zhàn)斗機的座艙高度、空間條件以及傷員坐姿起吊勤務(wù)需求基礎(chǔ)上，擬設(shè)計一種新型頭頸軀干一體化快速固定器，既便于救援人員在座艙外操作使用，亦可實現(xiàn)座艙內(nèi)失能飛行員救援脫困時的頭頸軀干快速固定防護，以期避免或減小救援中可能造成的繼發(fā)性損傷。

圖1 頭頸胸矯形器[4]

圖2 軀干（脊柱）夾板[5]

圖3 脫困（救援）裝具[6]

1 頭頸軀干快速固定器的關(guān)鍵設(shè)計問題

對于戰(zhàn)斗機飛行員離機救援，必須行動迅速，使用特殊的救援器材并遵循嚴格的救援程序。如圖4所示，救援人員通過離機救護裝備靠近戰(zhàn)斗機座艙后，依次操作為開艙蓋、安全操作（針對飛機）、傷員固定、起吊離機、安全下放，醫(yī)護人員初步現(xiàn)場急救處置之后再進行安全轉(zhuǎn)運[7-8]。對于甲板事故飛行員的醫(yī)學救援，急救、生命支持及轉(zhuǎn)運一體化裝置成為研究的重點和熱點[9]，但對于失能飛行員離機救援所需的固定問題關(guān)注不足，缺少貼合頭頸軀干損傷防護需求、適合坐姿使用的一體化快速固定器材。頭頸軀干固定防護器設(shè)計應(yīng)滿足安全、有效、可靠等要求，承受力應(yīng)達到75 kg，破壞強度超過300 kg。另外還應(yīng)滿足如下要求：（1）展開和固定時間短：戰(zhàn)斗機迫降后，可能隨時會爆炸起火，故必須盡快實施救援，讓飛行員快速離艙。（2）操作簡單，方便固定及調(diào)整：因為救援時間緊迫，過于復雜的操作不僅容易出錯，同時浪費時間。（3）體積小、質(zhì)量輕：考慮到離機救援操作處于登高裝置之上，平臺狹小、情況復雜，因此救援人員攜帶的器材必須輕巧，才能滿足緊急救援需求。（4）符合人體工效學要求：設(shè)計上需考慮傷員身高的不同，具備可調(diào)整性，以滿足人體舒適性要求，避免引起身體不適或加重痛苦。（5）具有較好的實用性與美觀度：良好的固定器材可以使傷員得到可靠的固定與有效的防護。（6）滿足應(yīng)急離機救援環(huán)境要求：適應(yīng)戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)座椅、座艙蓋等限制條件，考慮飛行員戴頭盔與不戴頭盔2種情況下的頭頸軀干一體化快速固定問題。

圖4 飛行員離機救援過程模擬

2 頭頸軀干快速固定器的設(shè)計與制作

2.1 虛擬設(shè)計與主要結(jié)構(gòu)組成

采用三維設(shè)計軟件進行頭頸軀干快速固定器前期的概念設(shè)計，如圖5所示，其主要結(jié)構(gòu)包括四部分：（1）背板：是支撐與固定頭頸軀干的基體，在傷員起吊過程中將均勻承受身體質(zhì)量。背板擬采用高溫熱塑板材聚丙烯（polypropylene，PP）材料制作，其結(jié)構(gòu)強度較大，又不似鋼板、鋁合金等金屬材質(zhì)過于冰冷堅硬，同時適合在潮濕、鹽霧等惡劣環(huán)境情況下使用。（2）胸部固定帶：起核心承重與綁定作用，坐姿起吊時將承受上半身質(zhì)量，并使軀干與背板緊密貼合，可防止上身質(zhì)量作用在腰椎上，降低腰椎二次損傷的風險。（3）腿部固定帶：與胸部固定帶在身前連為一體，坐姿起吊時將主要承受下半身質(zhì)量，后期設(shè)計需要進一步驗證此處承力的人體規(guī)范性要求。（4）頸托：與背板活動連接，具有頭頸部穩(wěn)定支持、固定保護與頸椎免荷的作用。

圖5 頭頸軀干快速固定器虛擬設(shè)計示意圖

2.2 強度要求

考慮到安全性及快速固定的要求，采用符合國家規(guī)范、具有強制3C認證的安全綁帶及快速安全插扣，如圖6所示，其性能應(yīng)滿足GJB 900A—2012《裝備安全性工作通用要求》及GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》的相關(guān)要求。

圖6 國家3C認證的快速插扣

2.3 樣機試制

2.3.1 背板的制作

背板的制作包括測量、模型制作、打磨、組裝、試樣等流程，具體如下：

（1）測量：對人體上半身關(guān)鍵尺寸進行測量，如肩寬、腰圍的測量，頭盔及頭頸部關(guān)鍵尺寸測量等，作為將來修型時陽模尺寸的重要參考依據(jù)。

（2）標記骨性標示位：對免壓點及加壓點等關(guān)鍵點進行標示，作為后續(xù)修型的重要關(guān)注點。

（3）取石膏模型并修型：如圖7所示，對170 cm左右的模特進行取型，獲取陰模，之后進行修補及灌注石膏，獲取陽模，并對照步驟（1）所測量的尺寸進行陽模修型?？紤]到需要一定的適應(yīng)范圍，故對尺寸進行了稍許放大處理，最終獲得石膏模型如圖8所示。

圖7 石膏繃帶取型示意圖

圖8 石膏陽模示意圖

（4）熱塑成型：將剪裁合適的PP板材置于熱烘箱中加溫到160°C以上，待軟化后覆蓋到石膏模型上，抽真空，使板材緊貼石膏模型。

（5）打磨及裝配安全綁帶：上述模型冷卻后，即可切開打磨口型等，如圖9所示，打磨后進行打孔及安全綁帶的裝配。安全綁帶可在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，以便能夠與軀干更好地貼合。

（6）添加背板內(nèi)襯：在背板內(nèi)部粘貼上泡棉材料的內(nèi)襯，如圖10所示，以增強貼合性、防滑性。

圖9 背板制作示意圖

圖10 內(nèi)襯制作示意圖

2.3.2 頸托的制作

考慮到頭頸部受力較小，采用透氣性強、質(zhì)量輕、剛度小、韌性強的低溫板材進行熱塑成型。因為低溫板材在室溫下處于固態(tài)，質(zhì)地較硬，當溫度大于70°C時變得柔軟可塑，且低溫板材制作簡單、材質(zhì)無毒無味，適合貼身使用[10-11]。其成型效果如圖11所示。頸托成型后進行相關(guān)固定綁帶的配裝，綁帶長短可調(diào)，以適應(yīng)傷員頸部的差異化調(diào)節(jié)，確保合適的張力與舒適度。

圖11 低溫板材頸托示意圖

通過背板與頸托、固定帶的組裝，最終制成的頭頸軀干快速固定器樣機及穿戴效果如圖12所示。從結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、可調(diào)性、舒適性、安全性、有效性、快速固定等方面進行綜合評估，結(jié)果表明整體質(zhì)量較輕，總質(zhì)量不超過5 kg，主要質(zhì)量集中于背板與安全插扣。根據(jù)模特試穿效果、舒適性反饋，總體效果較為滿意，后背固定牢靠，承力分布合理；頸托固定良好、接觸面較大、壓力分布均勻，因此對胸腔呼吸壓迫較小，且松緊度可調(diào)。后續(xù)經(jīng)反復測試對局部細節(jié)做了進一步調(diào)整及優(yōu)化。

圖12 頭頸軀干快速固定器樣機及穿戴效果圖

需要注意的是，此次設(shè)計的頸托試制所采用的低溫板材的機械性能會在半年以后有所下降[12]。考慮到其制作簡單、成本較小，實際使用時可根據(jù)需要合理確定其更換（新）周期。此外，更理想的辦法是采用碳纖維增強復合材料（carbon fibre reinforced plastics，CFRP）來制作成型頸托。CFRP的傳統(tǒng)加工一般采用熱壓罐成型工藝，其成型原理是利用高溫惰性壓縮氣體對鋪放好的預(yù)浸料進行加熱、加壓處理，使樹脂基復合材料在高溫條件下碳化并成型[13]。該過程復雜且纖維末對人體有害，因此需由專業(yè)廠商進行生產(chǎn)。CFRP質(zhì)量比鋁輕，強度卻高于鋼，具有耐腐蝕、高模量等特性，應(yīng)用前景廣泛，但目前的加工成本和生產(chǎn)效率仍是瓶頸問題。

3 實驗驗證

3.1 強度驗證

參考GJB 900A—2012及GJB 450A—2004的要求，采用Instron5965拉伸試驗機[14]，以60 mm/min的速度垂直進行拉伸實驗，使試驗機加載的力緩慢增加到2 400 N，樣品未發(fā)生較大形變，且繪制出的時間、位移、應(yīng)力表格數(shù)據(jù)無異常變化，位移-應(yīng)力曲線基本平滑。當拉力達到2 400 N以上時結(jié)束拉伸，其拉伸曲線如圖13所示。經(jīng)驗證，所設(shè)計的頭頸軀干快速固定器符合承載受力的要求。

圖13 頭頸軀干快速固定器拉伸曲線

3.2 傷員固定與起吊實驗

3.2.1 傷員固定實驗

按照實際戰(zhàn)斗機座艙條件建立限位空間場景，進行模擬傷員離機救援的坐姿固定操作：（1）救援人員在“座艙外”將固定器背板插到“座艙內(nèi)”坐姿傷員的背后；（2）將背板肩部連接的頸托“套過”傷員頭部后，扣在傷員脖頸及前胸處，調(diào)整并拉緊固定綁帶；（3）從傷員兩側(cè)腋下將背板連接的胸部固定帶引至胸前并由插扣快速連接；（4）將背板末端的腿部固定帶的一頭從坐姿傷員大腿外側(cè)穿至內(nèi)側(cè)，環(huán)繞腿部后與另一頭通過插扣快速連接。測試表明，基于背板的一體化固定器結(jié)構(gòu)合理、操作方便可靠，插扣連接到位后有聲音提醒，綁帶長短調(diào)整迅速，展開及固定時間約1 min，穿戴符合人體生理曲線，模擬傷員無不適感、心理易于接受，驗證了固定器結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。

3.2.2 傷員起吊實驗

如圖14所示，在模擬座艙的上部采用滑輪繩索結(jié)構(gòu)，將身高約170 cm的模擬傷員起吊離艙，直至傷員腳部離開“座艙”前擋的高度限制，在此過程中人為側(cè)向推動、施加向下拉力，以模擬、驗證實際起吊離機操作過程中的不穩(wěn)定性及其可能的影響。結(jié)果表明，一體化固定器與模擬傷員貼合緊密、固定效果良好，起吊過程中模擬傷員的頭頸部支撐穩(wěn)固、背部承力均勻，起吊時背板連接的胸部、腿部固定帶同時承受起吊繩索的拉力，確保傷員出艙始終保持坐姿狀態(tài)。

圖14 模擬起吊出艙示意圖

4 結(jié)語

戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)失能或危重傷員的離機救護涉及諸多方面，本文在分析現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計并試制了一種頭頸軀干快速固定器，實現(xiàn)了傷員離機救援過程中頭頸軀干及脊柱的固定防護功能。經(jīng)過模擬實驗驗證，一體化結(jié)構(gòu)方便救援人員單手攜帶；基于背板插入的形式符合艙內(nèi)坐姿固定實際需求；頸、胸、腿三處固定結(jié)構(gòu)滿足傷員起吊與防護要求。經(jīng)過實驗反饋，可進行如下改進：（1）頸托的固定采用魔術(shù)貼粘接即可滿足需求；（2）胸部固定帶應(yīng)適當加寬加厚，適當增加硬性以方便操作；（3）2個腿部環(huán)繞固定帶可合為一個，即穿過雙腿環(huán)繞并通過插扣快速連接，如此可進一步縮短操作時間。后續(xù)按照反饋意見對固定器改進后，將進一步針對實際救援情形開展實驗驗證與相關(guān)研究。