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        飛行員頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣流吹襲性能研究

        2022-02-17 12:00:48趙彥鵬吳明磊劉何慶洪濤李軍張友剛

        趙彥鵬,吳明磊,*,劉何慶,洪濤,李軍,張友剛

        (1.空軍特色醫(yī)學(xué)中心,北京 100142;2.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司,襄陽 441003)

        戰(zhàn)斗機(jī)飛行員彈射座椅救生系統(tǒng),為飛行員逃生提供了安全有效的技術(shù)保障。這種敞開式彈射救生系統(tǒng),在離機(jī)出艙的瞬間,人體會(huì)受到高速氣流的吹襲而發(fā)生損傷。而飛行員頭盔、供氧面罩等個(gè)體防護(hù)裝備,為人體免受高速氣流吹襲起到了重要的防護(hù)作用[1-2]。夜視鏡增強(qiáng)了人的夜間視覺能力,將夜視鏡安裝在飛行員頭盔上,提高了飛行員夜間飛行時(shí)的觀察能力,已推廣應(yīng)用到高性能戰(zhàn)斗機(jī)[3-7]。

        飛行員頭盔因功能和防護(hù)性能要求的差異,輕型頭盔質(zhì)量約1 000 g,較重頭盔達(dá)到1 700 g。安裝在頭盔上的夜視鏡,因管徑尺寸、結(jié)構(gòu)和性能的差異,重約340~500 g,長約100 mm,安裝支架和電源裝置重約110 g。因此安裝了夜視鏡的頭盔,質(zhì)量特性和外形發(fā)生了顯著改變,其對飛行員彈射救生的安全性影響需要高度重視[8-10]。

        為了避免夜視鏡對彈射安全產(chǎn)生不利影響,彈射前應(yīng)將其從頭盔上摘下。目前,有手動(dòng)摘下和自動(dòng)拋放2種方式。手動(dòng)方式要求飛行員熟練掌握夜視鏡安裝使用方法,能在彈射離機(jī)前快速將其摘下。自動(dòng)方式是在頭盔上安裝動(dòng)力拋放裝置,與彈射裝置聯(lián)動(dòng),一旦彈射裝置啟動(dòng),立即拋放夜視鏡。手動(dòng)摘下方式,增加了飛行員彈射離機(jī)動(dòng)作時(shí)間,可能導(dǎo)致?lián)p失有利的彈射時(shí)機(jī)。自動(dòng)拋放方式,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,進(jìn)一步增加了頭盔的質(zhì)量,也可能影響佩戴的舒適性。

        美國空軍使用夜視鏡,采用手動(dòng)摘下的方式,其飛行手冊規(guī)定,飛行員在彈射前要摘下夜視鏡,防止其被彈射沖擊力從頭盔的安裝座上拋下并造成損傷,也曾針對自動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行過研究,探究是否存在戴夜視鏡彈射的可能性[9-10],但未對佩戴夜視鏡彈射進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估[11-12]。

        事故調(diào)查分析認(rèn)為,低空、高速、不利姿態(tài)彈射的成功率較低,再加上頭盔上安裝夜視鏡,飛行員在彈射中頸部損傷風(fēng)險(xiǎn)將顯著增加[11-12]。2013年,美國空軍一名F-16戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在執(zhí)行夜間飛行訓(xùn)練時(shí),出現(xiàn)空間定向障礙無法改出而被迫選擇彈射跳傘,氣流吹襲和穩(wěn)定傘展開產(chǎn)生了大約40 G過載,使安裝了夜視鏡的頭盔瞬間脫落,飛行員因頭頸部遭受嚴(yán)重?fù)p傷而死亡[13-14]。

        針對手動(dòng)摘下方式,危急時(shí)刻飛行員能否在彈射前快速摘下夜視鏡,取決于飛機(jī)的危險(xiǎn)程度、飛行員的情景感知和有效處置時(shí)間。如果飛行員未能摘下夜視鏡,戴夜視鏡彈射是否安全及什么條件下安全,是產(chǎn)品研制和使用單位十分關(guān)心的問題。彈射過程時(shí)間短、運(yùn)動(dòng)劇烈,飛行員受到多種外力的作用,而彈射的初始階段是頭盔夜視鏡系統(tǒng)最有可能影響飛行員安全的時(shí)刻,此時(shí)飛行員主要受到彈射沖擊及高速氣流吹襲作用,損傷風(fēng)險(xiǎn)較大[11,15]。本文針對彈射離機(jī)出艙瞬間氣流吹襲這一主要外力作用,開展頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣動(dòng)特性及其對人的安全性研究,為飛行員頭盔夜視鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用提供依據(jù)。

        1 材料和方法

        1.1 試驗(yàn)件

        某型飛行保護(hù)頭盔2件,配套供氧面罩1件,規(guī)格滿足試驗(yàn)假人(HYBRID II型第50百分位假人)佩戴適體。夜視鏡6件(編號1?!?#),為雙管雙目微光夜視鏡模擬件。模擬件與成品夜視鏡結(jié)構(gòu)一致,輪廓尺寸與成品誤差為±3 mm,質(zhì)量誤差為±5 g。頭盔帶有夜視鏡電源模塊和安裝支架。

        陪試產(chǎn)品包括某型彈射座椅、抗荷服和HYBRID II型第50百分位假人。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        1)GCT-1型高速氣流吹襲臺(tái)。吹襲速度為300~1 650 km/h,最大速度下最長吹襲時(shí)間為10 s,速壓控制準(zhǔn)確度2%以內(nèi),速壓波動(dòng)度小于1.5%。

        2)力和力矩測量系統(tǒng)。由安裝在HYBRID II型假人頸椎下端的三軸向力和力矩傳感器(美國第一技術(shù)公司,IF-210)、機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Hi-Techniques公司,Echelon)和計(jì)算機(jī)組成,測量和采集假人頸椎下端的力和力矩。

        3)高速攝像機(jī)(日本NAC公司,MEMRECAM HX-3E)。攝像速度為500~3 000幀/s,滿分辨率2 560×1 920像素,拍攝記錄整個(gè)吹襲過程和頭盔夜視鏡的佩戴狀態(tài)。

        1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.3.1 佩戴原則

        為獲取夜視鏡與頭盔共同作用下假人頭頸部力學(xué)數(shù)據(jù),氣流吹襲試驗(yàn)應(yīng)在夜視鏡安裝于頭盔上狀態(tài)下進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí),將彈射座椅固定在高速氣流吹襲臺(tái)噴口前的臺(tái)架上,將試驗(yàn)假人(穿抗荷服)端正放置在彈射座椅上,用背帶系統(tǒng)系緊。保護(hù)頭盔端正佩戴在假人頭上,系緊下頜帶;將供氧面罩插銷牢固插到頭盔插座上,波紋管連接在座椅上;將夜視鏡瞳距、俯仰、上下調(diào)節(jié)到中位,牢固地安裝在頭盔安裝板上。夜視鏡分下位(工作)和上位(非工作)2個(gè)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。夜視鏡下位時(shí),頭盔護(hù)目鏡放在上位,夜視鏡上位時(shí),頭盔護(hù)目鏡放在下位,如圖1所示。

        圖1 夜視鏡下位和上位示意圖Fig.1 Schematic of lower state and upper state of night vision goggles

        1.3.2 試驗(yàn)合格判據(jù)

        試驗(yàn)?zāi)康氖谦@得頭盔配裝夜視鏡時(shí)的氣流吹襲性能(對抗氣流吹襲的能力),以作用在人體頸部的力和力矩是否造成頸椎損傷作為判定依據(jù)。頭頸部受力坐標(biāo)系定義如下:坐標(biāo)原點(diǎn)o位于第七頸椎C7處,ox軸在人體矢狀面內(nèi),水平向后為正;oy軸在人體冠狀面內(nèi),水平向右為正;oz軸在人體矢狀面內(nèi),垂直向上為正。氣動(dòng)阻力記為Fx,側(cè)力記為Fy,升力記為Fz,對應(yīng)各軸向的力矩分別記為Mx、My和Mz。

        本文合格判據(jù)如下:高速氣流吹襲條件下,頸椎升力小于1 416 N,阻力小于3 532 N,側(cè)力小于376 N;作用在頸椎俯仰方向力矩(My)峰值小于190 N·m。合格判據(jù)的升力、阻力、側(cè)力的指標(biāo)來自文獻(xiàn)[16],且相關(guān)研究形成了國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 6751—2009[17]。合格判據(jù)力矩指標(biāo)來自文獻(xiàn)[18-19]。

        合格判據(jù)是依據(jù)人頭頸部損傷耐限研究的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)。國家軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB 6751—2009[17]規(guī)定了作用在人體頭頸部的升力、阻力、側(cè)力等可耐受的限值。目前,針對高速氣流吹襲作用在頸椎上力矩的生理耐限標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)研究較少。本文關(guān)于力矩的合格判據(jù)選自文獻(xiàn)[18-19],其是關(guān)于動(dòng)力學(xué)環(huán)境下佩戴頭盔時(shí)人頭頸生物力學(xué)的響應(yīng)研究,與本文背景最為近似。在機(jī)動(dòng)車碰撞損傷與防護(hù)的研究中,有關(guān)頸椎損傷的生物力學(xué)研究結(jié)果,因試驗(yàn)條件或方法的差異,得到的損傷耐限標(biāo)準(zhǔn)也不盡一致[20-22]。

        另外,根據(jù)本文試驗(yàn)件的特點(diǎn),即頭盔、夜視鏡、供氧面罩結(jié)構(gòu)上的對稱性,在迎面氣流的作用下,施加于頸部的力矩主要是My,其他方向力矩相對較小。因此,只以My的峰值作為合格判據(jù)的指標(biāo),其他方向的力矩作為參考。

        在以往飛行員頭盔產(chǎn)品試驗(yàn)評價(jià)中,都是以國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 6751—2009[17]作為考核依據(jù)。本文增加作用在頸椎上的力矩作為評價(jià)指標(biāo)和合格判據(jù),也是第一次嘗試,目的是進(jìn)一步限制氣流吹襲可能對人體的傷害。

        1.3.3 有效試驗(yàn)判定原則

        若一次吹襲試驗(yàn)結(jié)束時(shí),夜視鏡與頭盔連接完好,仍處于佩戴狀態(tài),稱為有效試驗(yàn),記錄的頸部受力數(shù)據(jù)有效;若試驗(yàn)時(shí),夜視鏡從頭盔上吹脫,試驗(yàn)有意義,但試驗(yàn)的有效性需比對力、力矩曲線的峰值時(shí)刻與夜視鏡吹脫時(shí)刻出現(xiàn)的前后進(jìn)行判定。力、力矩曲線峰值時(shí)刻出現(xiàn)在夜視鏡吹脫時(shí)刻之前,頸部受力數(shù)據(jù)有效,該試驗(yàn)仍為有效試驗(yàn)。反之,頸部受力數(shù)據(jù)只作參考,此情形稱為部分有效試驗(yàn)。

        1.3.4 吹襲速度設(shè)置原則

        本次頭盔加裝夜視鏡的吹襲試驗(yàn),吹襲速度從850 km/h開始,分以下2種情況:

        1)如850 km/h為有效試驗(yàn)并滿足合格判據(jù),增加吹襲速度至1 000 km/h(增量150 km/h)。如1 000 km/h仍為有效試驗(yàn)并滿足合格判據(jù),增加吹襲速度至1 100 km/h(增量100 km/h)。1 100 km/h是目前所用頭盔和供氧面罩防護(hù)性能的上限,上限吹襲速度到此為至。

        2)如850 km/h為部分有效試驗(yàn)或不滿足合格判據(jù),降低吹襲速度至700 km/h(減少150 km/h)。如700 km/h仍為部分有效試驗(yàn)或不滿足合格判據(jù),降低吹襲速度至600 km/h(減少100 km/h),反之繼續(xù)按100 km/h遞減。

        除上述一般原則,還需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況視情調(diào)整吹襲速度,如夜視鏡吹脫后,其后的試驗(yàn),吹襲速度應(yīng)減小。

        1.4 試驗(yàn)方法

        1.4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

        彈射座椅模擬裝機(jī)狀態(tài)固定在高速氣流吹襲臺(tái)噴口前的臺(tái)架上。按照佩戴原則,將座椅、假人、頭盔、供氧面罩、夜視鏡安裝完畢。

        檢查高速氣流吹襲臺(tái),處于良好工作狀態(tài);測試系統(tǒng)調(diào)試、設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。

        布置高速攝像機(jī)視場位置,攝像速度設(shè)置為500幀/s,圖像分辨率1 024像素×1 024像素。

        高速攝像機(jī)、力和力矩測量系統(tǒng)統(tǒng)一用高速氣流吹襲臺(tái)設(shè)定的時(shí)間基準(zhǔn)同步測量,完成測試系統(tǒng)聯(lián)試,準(zhǔn)備工作完成。

        1.4.2 試驗(yàn)步驟

        高速氣流吹襲臺(tái)上電、自檢;啟動(dòng)吹襲臺(tái),氣流穩(wěn)定時(shí)給出時(shí)間零點(diǎn)(定義為0 s);第1發(fā)吹襲速度峰值設(shè)置為850 km/h。在0~2 s內(nèi)吹襲臺(tái)氣流吹襲速度保持試驗(yàn)所要求的速度;氣流穩(wěn)定時(shí),峰值作用時(shí)間150~200 ms。

        吹襲臺(tái)完全停止工作后,記錄、保存測量數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入現(xiàn)場,檢查試驗(yàn)件狀態(tài)。

        1.4.3 調(diào)整吹襲速度

        根據(jù)第1發(fā)試驗(yàn)情況,按照試驗(yàn)合格準(zhǔn)則和吹襲速度設(shè)置原則,進(jìn)行第2發(fā)試驗(yàn)。若試驗(yàn)件損壞,更換新的試驗(yàn)件。依次完成全部試驗(yàn)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 基本試驗(yàn)結(jié)果

        6件夜視鏡模擬件,共完成10發(fā)吹襲試驗(yàn)。夜視鏡上位4發(fā),下位6發(fā)。10發(fā)試驗(yàn),吹襲速度均未超過850 km/h,頭盔面罩均保持完好,而夜視鏡吹脫5發(fā)(上位4發(fā),下位1發(fā)),夜視鏡完好并保持固定在頭盔上5發(fā)。夜視鏡保持固定在頭盔上的5發(fā),頭盔前緣相對試驗(yàn)假人眼睛均有不同程度上仰移動(dòng)。作用在試驗(yàn)假人頸椎上的升力均小于1 416 N,阻力均小于3 532 N,側(cè)力均小于376 N;作用在試驗(yàn)假人頸椎上的俯仰力矩小于190 N·m的有6發(fā),大于190 N·m的有4發(fā)(1發(fā)夜視鏡吹脫,3發(fā)夜視鏡保持)?;驹囼?yàn)結(jié)果如表1所示。表中:U代表上位狀態(tài),L代表下位狀態(tài);吹襲速度為試驗(yàn)設(shè)置峰值。試驗(yàn)件狀態(tài)含義為:A表示頭盔面罩完好,B表示夜視鏡保持,C表示夜視鏡吹脫,D表示頭盔上移。

        表1 基本試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Essential test results

        2.2 夜視鏡吹脫時(shí)刻與試驗(yàn)有效性判定

        對夜視鏡吹脫的5發(fā)試驗(yàn)有效性判定,需對比力、力矩曲線的峰值時(shí)刻與夜視鏡吹脫時(shí)刻。因高速攝像機(jī)、力和力矩測量系統(tǒng)用高速氣流吹襲臺(tái)設(shè)定的時(shí)間基準(zhǔn)同步測量,試驗(yàn)時(shí)設(shè)置了信號跳變時(shí)刻,作為同時(shí)計(jì)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)。

        設(shè)跳變時(shí)刻為T,高速攝像機(jī)采集到夜視鏡脫落時(shí)刻為t1,傳感器采集到力或力矩峰值時(shí)刻為tmax,比較T+t1與tmax大小即可。

        以第1發(fā)試驗(yàn)為例,跳變時(shí)刻為162.166 s,高速攝像機(jī)顯示夜視鏡脫落發(fā)生于第533幀圖像,由于高速攝像機(jī)采用的頻率為500幀/s,即每幀圖片的記錄時(shí)間為2 ms,可計(jì)算1發(fā)試驗(yàn)中夜視鏡吹脫時(shí)刻為163.232 s;對頸椎傳感器采集到的數(shù)據(jù)處理可知,該時(shí)間點(diǎn)之前三軸向的力和力矩均已達(dá)到峰值。因此,在第1發(fā)試驗(yàn)中,夜視鏡被吹脫時(shí),頭頸部受力情況已達(dá)到峰值并開始減小,得到的力和力矩峰值可以作為該吹襲條件下實(shí)際受力峰值。第1發(fā)試驗(yàn)中力和力矩峰值時(shí)刻與夜視鏡吹脫時(shí)刻的對比如圖2、圖3所示。

        圖2 第1發(fā)試驗(yàn)三軸向力曲線及吹脫時(shí)刻Fig.2 Triaxial force curves and blow-off moments of Test 1

        圖3 第1發(fā)試驗(yàn)三軸向力矩曲線及吹脫時(shí)刻Fig.3 Triaxial torque curves and blow-off moments of Test 1

        用同樣方法得到第2、5、7和9發(fā)試驗(yàn)中力和力矩峰值時(shí)刻與夜視鏡吹脫時(shí)刻,結(jié)果如表2所示。

        由表2可知,在夜視鏡吹脫的5發(fā)試驗(yàn)中,均存在T+t1大于tmax的關(guān)系,據(jù)此判斷夜視鏡吹脫時(shí)頸部受到的力和力矩均已達(dá)到峰值,頸部受力數(shù)據(jù)有效。因此,全部10發(fā)試驗(yàn)均為有效試驗(yàn)。

        表2 力和力矩的峰值時(shí)刻與夜視鏡吹脫時(shí)刻Table 2 Moment of force and torque peak and blow-off of night vision goggles s

        2.3 夜視鏡吹脫軌跡

        根據(jù)高速攝像機(jī)記錄的夜視鏡吹脫的軌跡,計(jì)算了吹脫后100 ms以內(nèi)的軌跡數(shù)據(jù),向上為垂直位移,順風(fēng)向?yàn)樗轿灰?,如圖4所示。

        圖4 夜視鏡吹脫軌跡Fig.4 Blow-off trajectory of night vision goggles

        3 討論

        3.1 頭盔加裝與不加裝夜視鏡的對比分析

        飛行員頭盔、夜視鏡是各自具有獨(dú)立功能的裝備,組合形成了一種成本低、構(gòu)造簡單、靈巧高效的飛行員夜視裝備,其作用意義是明確的。但頭盔加裝夜視鏡后的氣流吹襲性能研究,目前國內(nèi)和國外研究報(bào)道均較少。

        本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)只進(jìn)行頭盔佩戴夜視鏡的吹襲試驗(yàn),未進(jìn)行同一吹襲速度下不戴夜視鏡的吹襲試驗(yàn)。但在此前(2016—2019年)的產(chǎn)品研制中,有4發(fā)頭盔未加裝夜視鏡的吹襲試驗(yàn)(頭盔護(hù)目鏡下位),所用頭盔、供氧面罩、試驗(yàn)假人規(guī)格型號及彈射座椅等試驗(yàn)條件均與本次試驗(yàn)相同,吹襲速度為1 100 km/h,僅記錄氣動(dòng)升力和阻力作為考核標(biāo)準(zhǔn)。將此4發(fā)試驗(yàn)中所記錄的氣動(dòng)升力和阻力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(平均值、標(biāo)準(zhǔn)差)與本次試驗(yàn)中所得到的數(shù)據(jù)(區(qū)分夜視鏡上位和下位2個(gè)狀態(tài))進(jìn)行對比,比較結(jié)果如圖5所示。

        圖5 頭盔加裝夜視鏡與未加裝夜視鏡氣動(dòng)升力與氣動(dòng)阻力對比Fig.5 Comparison of aerodynamic lift and drag between helmets with and without night vision goggles

        本文所用頭盔技術(shù)說明書中給出了“所用頭盔與供氧面罩、彈射座椅等配套使用,保證在1 100 km/h以下速度彈射離機(jī)安全”的性能包線。因此,與吹襲速度1 100 km/h時(shí)頭盔不戴夜視鏡的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,可以分析頭盔加裝夜視鏡之后的氣動(dòng)升力和阻力的變化。

        從圖5可以看出,頭盔加裝夜視鏡后,吹襲速度在700 km/h時(shí),試驗(yàn)假人頸椎的升力和阻力值已接近或達(dá)到1 100 km/h時(shí),未加裝夜視鏡時(shí)的數(shù)值。吹襲速度在800 km/h以上時(shí),升力和阻力均達(dá)到或超過1 100 km/h吹襲時(shí)試驗(yàn)假人頸椎的升力和阻力。據(jù)此判斷頭盔加裝夜視鏡后,降低了彈射救生包線。即對比此前頭盔未加裝夜視鏡進(jìn)行的1 100 km/h吹襲試驗(yàn),所測試驗(yàn)假人頸部升力峰值,與本次試驗(yàn)中700 km/h吹襲速度的峰值相當(dāng)。由此可見,加裝夜視鏡后頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣流吹襲性能下降。由于之前未將作用在頸椎上力矩作為頭盔吹襲性能評定標(biāo)準(zhǔn),無有效數(shù)據(jù)可對比。

        3.2 頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣流吹襲性能分析

        夜視鏡與頭盔的連接,是通過連接裝置上的機(jī)械接口實(shí)現(xiàn)的,可完成夜視鏡的插、拔及旋轉(zhuǎn)操作。夜視鏡有2種佩戴狀態(tài):①處于眼前觀察位置,稱為下位或工作位;②向上翻轉(zhuǎn)離開眼睛觀察位置,稱為上位或非工作位。本次10發(fā)吹襲試驗(yàn),夜視鏡處于上位4發(fā),下位6發(fā)。上位4發(fā)均吹脫;下位1發(fā)吹脫,5發(fā)完好但頭盔前緣相對假人眼睛均有不同程度上仰移動(dòng)。

        夜視鏡上位時(shí)更容易飛脫,是因?yàn)榇藭r(shí)夜視鏡翻轉(zhuǎn)上仰,鏡身面對氣流,迎風(fēng)面積增大,自身受到較大的氣動(dòng)升力;而下位時(shí),鏡身順向氣流,迎風(fēng)面積較小,受到氣動(dòng)升力也小。

        無論夜視鏡上位與下位,也無論吹脫與否,依據(jù)試驗(yàn)合格判據(jù),綜合表1的10發(fā)試驗(yàn)結(jié)果,盡管各次的升力、阻力、側(cè)力都滿足要求,但吹襲速度800 km/h、850 km/h時(shí),3發(fā)試驗(yàn)俯仰力矩峰值均超出試驗(yàn)合格判據(jù)的要求,即大于190 N·m,認(rèn)為對頸椎造成損傷,是不安全的。700 km/h為臨界點(diǎn),4發(fā)試驗(yàn)中,有1發(fā)俯仰力矩峰值超出試驗(yàn)合格判據(jù)(但超出量不大,僅有5.9%),其他3發(fā)未超出試驗(yàn)合格判據(jù),認(rèn)為對頸椎可能造成損傷,處于安全的臨界狀態(tài)。600 km/h的3發(fā)試驗(yàn)均滿足試驗(yàn)合格判據(jù)的要求,認(rèn)為是安全的。綜合頭盔加裝與不加裝夜視鏡的對比分析結(jié)果,因此,建議將頭盔夜視鏡系統(tǒng)的氣流吹襲性能包線限制在600 km/h以內(nèi),或根據(jù)具體機(jī)種的戰(zhàn)術(shù)使用要求,適當(dāng)進(jìn)行放寬。

        3.3 夜視鏡吹脫

        從本次試驗(yàn)結(jié)果看,夜視鏡吹脫之前,頸部受到的力和力矩均已達(dá)到峰值。也就是說,夜視鏡吹脫,并未影響到頸椎受到的作用力。但就整個(gè)彈射救生過程而言,對夜視鏡吹脫的利弊還要作進(jìn)一步的分析研究。

        1)夜視鏡吹脫有利于減輕頭頸部的受力。彈射過程,從啟動(dòng)彈射座椅開始,經(jīng)歷出艙、射出座椅穩(wěn)定傘和救生傘、人椅分離,到乘救生傘降落。在此期間,受到彈射過載、氣流吹襲、開傘沖擊等外力的作用。從原理上說,夜視鏡吹脫,減輕了頭盔質(zhì)量,無論何種外力下頸部受力都將減小,進(jìn)而降低損傷風(fēng)險(xiǎn)。

        2)夜視鏡吹脫對彈射過程是否造成影響。在彈射座椅救生系統(tǒng)中,救生傘裝在座椅頭靠內(nèi),也有將座椅穩(wěn)定傘和救生傘都裝在座椅頭靠內(nèi)。夜視鏡吹脫,從座椅頭靠上方飛過,是否影響開傘程序,需要進(jìn)一步分析研究??筛鶕?jù)本文獲得的夜視鏡吹脫軌跡數(shù)據(jù),結(jié)合彈射時(shí)座椅的運(yùn)動(dòng)軌跡和開傘程序進(jìn)行分析,或開展專項(xiàng)研究,確定吹脫的夜視鏡對彈射過程是否造成影響,以確保整個(gè)救生系統(tǒng)安全有效工作。

        3.4 試驗(yàn)方法分析

        開展彈射救生試驗(yàn),主要有地面彈射試驗(yàn)(零高度、零速度)、火箭滑軌試驗(yàn)(零高度、速度可控)和高速氣流吹襲試驗(yàn)(零高度、速度可控)[1-2,8,10,15-16]。本文針對高速氣流吹襲對頭盔夜視鏡的影響開展研究,未考慮彈射過程。模擬彈射過程可能會(huì)影響到對夜視鏡吹襲的觀察分析,且試驗(yàn)難度和成本增加。頭盔夜視鏡系統(tǒng)在整個(gè)彈射過程中的安全性,應(yīng)開展專項(xiàng)研究。

        3.5 夜視鏡的使用和需要開展的相關(guān)研究

        關(guān)于夜視鏡的使用,包括戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用和使用操作2個(gè)方面。戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用是指通過夜視鏡的視覺增強(qiáng)能力在訓(xùn)練作戰(zhàn)中的應(yīng)用,如編隊(duì)飛行中對其他飛機(jī)的觀察協(xié)同、對地目標(biāo)的觀察識(shí)別等。使用操作是指對夜視鏡的調(diào)校和摘除方式。夜視鏡的調(diào)校是通過對夜視鏡的眼距、瞳距、焦距、視度的調(diào)節(jié)獲得最佳的視場和分辨力,摘除方式則是指應(yīng)急情況下(如彈射離機(jī))是手動(dòng)摘除還是自動(dòng)摘除。在非應(yīng)急情況下,包括具有自動(dòng)摘除功能的夜視鏡,均使用手動(dòng)摘除方式。應(yīng)急情況下采用自動(dòng)摘除方式,減少了飛行員的操作程序,爭取寶貴的逃生時(shí)間,但自動(dòng)拋放裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,增加了頭盔的質(zhì)量。手動(dòng)摘除方式,頭盔與夜視鏡之間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單,增加質(zhì)量較少,但手動(dòng)摘除方式增加了飛行員的操作動(dòng)作,可能延誤逃生時(shí)機(jī)。這2種摘除方式各有利弊,都有產(chǎn)品應(yīng)用。但目前比較傾向于手動(dòng)摘除方式,主要原因是彈射離機(jī)等應(yīng)急情況發(fā)生概率很小,而減輕頭盔質(zhì)量對增強(qiáng)頭盔舒適性、減輕頸肌疲勞意義更大,尤其是長航時(shí)飛行更需要輕量舒適的頭戴裝備。為了盡可能爭取逃生時(shí)間,克服手動(dòng)摘除帶來的時(shí)間延誤,要求飛行員進(jìn)行使用操作練習(xí),熟練掌握夜視鏡的安裝使用方法[11-13,23]。

        關(guān)于夜視鏡的使用,除上述情況外,還有一種情況同時(shí)涉及戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用和使用操作2個(gè)方面,夜間著陸,是戴夜視鏡飛行著陸還是摘下夜視鏡。非戰(zhàn)爭時(shí)期,機(jī)場跑道燈光為飛機(jī)著陸提供了條件。此時(shí),飛行員不需要借助夜視鏡著陸,為減輕著陸沖擊帶來頭頸部載荷,飛行員應(yīng)在著陸前摘下夜視鏡。而戰(zhàn)爭時(shí)期,可能出現(xiàn)燈火管制的情況。此時(shí),飛行員是否需要借助夜視鏡著陸,目前還在研究實(shí)踐中??梢钥隙ǖ氖牵麸w行員借助夜視鏡著陸,則要求飛行員付出更多的訓(xùn)練,以掌握著陸的技巧和方法。

        若飛行員借助夜視鏡著陸,著陸沖擊載荷與頭戴裝備的耦合作用,將會(huì)增加頭頸部的受力[19,24]。著陸沖擊的載荷特點(diǎn)、頭盔夜視鏡對頭頸部受力的影響等,這方面的工作需要進(jìn)一步開展研究,包括部隊(duì)調(diào)研,聽取飛行員的意見。

        總之,本次開展的飛行員頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣流吹襲性能研究,理清了高速氣流作用下頭盔夜視鏡的響應(yīng)特性,獲得了頭盔夜視鏡系統(tǒng)氣流吹襲的性能包線及夜視鏡吹脫的時(shí)機(jī)和軌跡,為彈射救生安全性研究提供了第一手資料,為飛行員頭盔夜視鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用提供了依據(jù)。

        4 結(jié)束語

        本文通過開展地面模擬高空飛行狀態(tài)下高速氣流吹襲試驗(yàn),研究飛行員頭盔夜視鏡系統(tǒng)的氣動(dòng)特性,評價(jià)其對彈射救生安全性的影響。通過模擬600 km/h、700 km/h、800 km/h、850 km/h的吹襲速度,分析提取了夜視鏡在不同工位狀態(tài)下,獲得了試驗(yàn)假人頸椎的受力曲線及夜視鏡吹脫的時(shí)刻和軌跡,并依據(jù)相關(guān)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和理論研究,得到了如下結(jié)論:頭盔加裝夜視鏡后,氣流吹襲性能下降,吹襲速度800 km/h以上頸椎力矩超標(biāo),700 km/h為臨界點(diǎn),600 km/h合格。建議將頭盔夜視鏡系統(tǒng)的氣流吹襲性能包線限制在600 km/h以內(nèi)。

        致謝 感謝中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所和云南北方光學(xué)電子集團(tuán)有限公司給予本文的大力支持。

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