X型結(jié)構(gòu)航空座椅吸能參數(shù)確定方法

晏 濤，薛萌萌，肖光潤，王中任

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

航空座椅在保護(hù)乘員方面具有十分重要的作用，在航空器墜撞過程中，航空座椅大多通過座椅主結(jié)構(gòu)或?qū)Ｓ形懿考諌嬜矝_擊能量以保護(hù)乘員生命安全。美國在進(jìn)行航空器結(jié)構(gòu)抗墜毀設(shè)計(jì)的研究時(shí)，對(duì)航空座椅以及乘員約束系統(tǒng)投入了大量精力，先后制定了SAE ARP5526C《飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)指南》[1]及SAE AS8049B《民用旋翼航空器、運(yùn)輸類飛機(jī)和通用航空飛機(jī)座椅性能》[2]用以指導(dǎo)航空座椅的設(shè)計(jì)。

目前旋翼航空器座椅及運(yùn)輸機(jī)座椅通常安裝有專有吸能部件，這些專有吸能部件大多近似垂直安裝在座椅的主骨架上，墜撞時(shí)，乘員和座椅可動(dòng)部分一起沿座椅主桿向下移動(dòng)，吸能部件通過金屬的塑性變形吸收沖擊能量，但是這種安裝方式需要較大的座艙空間和吸能行程。某些通用小飛機(jī)座椅由于受制于座艙空間的狹小，往往不帶專有吸能部件，但是在特殊設(shè)計(jì)要求下，僅僅依靠座椅主結(jié)構(gòu)，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)[3]，為此本文探討了在通用航空器X型結(jié)構(gòu)座椅上安裝專有吸能部件的可行性，并對(duì)推導(dǎo)了X型結(jié)構(gòu)的航空座椅專有吸能部件關(guān)鍵參數(shù)確定方法。

1 航空座椅分類及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

1.1 航空座椅分類

航空座椅按照不同的分類方法有不同結(jié)果，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中通常按照使用用途分為旅客座椅或者乘員座椅、駕駛員座椅（或者叫機(jī)組座椅）、工作人員座椅。其中旅客座椅一般設(shè)置在客艙內(nèi)，數(shù)量較多；駕駛員座椅設(shè)置在駕駛艙內(nèi)，一般設(shè)置兩臺(tái)，特殊情況會(huì)有一定數(shù)量的變化；工作人員座椅位置、構(gòu)型及安裝方式就比較復(fù)雜，根據(jù)不同飛機(jī)型號(hào)，有不同的設(shè)置，如觀察員座椅、乘務(wù)員座椅、操作員座椅等，其連接方式也各有區(qū)別，如固定連接、滑軌連接、與壁板連接等。

但是在進(jìn)行座椅性能指標(biāo)驗(yàn)證時(shí)，按照使用用途的分類方法往往較繁瑣，故本文按照美國機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)編制的AS 8049B《民用旋翼航空器、運(yùn)輸類飛機(jī)和通用航空航空座椅的性能標(biāo)準(zhǔn)》，將座椅根據(jù)不同航空器類型，分為A、B、C三類，分別對(duì)應(yīng)運(yùn)輸機(jī)座椅、旋翼航空器座椅和通用航空器座椅[2]。

1.2 航空座椅的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

航空座椅最基本的性能指標(biāo)包括座椅靜強(qiáng)度指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)兩個(gè)部分，其中航空座椅的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是進(jìn)行座椅專有吸能部件設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)。動(dòng)態(tài)性能也是適墜性座椅的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其目的是在墜毀時(shí)，通過座椅的柔性吸能設(shè)計(jì)，降低傳遞到乘員身上的危險(xiǎn)載荷，直至達(dá)到人體的生理耐限指標(biāo)。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，要求座椅不得屈服到阻礙飛機(jī)乘員迅速撤離的程度，美國聯(lián)邦航空管理局FAA對(duì)各類航空座椅的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)做了明確要求[1-3]，如表1所示。

表1 各類航空座椅動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)要求

2 X型結(jié)構(gòu)航空座椅吸能參數(shù)確定

2.1 吸能器行程的確定

按照FAA第4部23部分的規(guī)定[4]，C類航空座椅在進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)需受到垂直方向大于19 g的垂直減速度，減速度的大小介于A類（14 g）與B類（30 g）之間。由于C類航空座椅垂直沖擊試驗(yàn)要求并不高，而且在具體工程研制時(shí)座椅結(jié)構(gòu)常常受到機(jī)艙大小與其本身調(diào)節(jié)功能要求的限制，并不能像B類航空座椅一樣在靠背位置垂直安裝專有吸能部件。因此，現(xiàn)階段我國自主研發(fā)的C類航空座椅大多都沒有采用專有吸能部件，而是使用座椅主結(jié)構(gòu)變形吸能的方式來吸收墜撞時(shí)產(chǎn)生的能量沖擊。

雖然某些通過主結(jié)構(gòu)變形吸能的C類航空座椅通過了垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，但是試驗(yàn)過程普遍曲折，反復(fù)試驗(yàn)次數(shù)較多。這是因?yàn)橥ㄟ^座椅主結(jié)構(gòu)變形來吸能的方式?jīng)]有合適的理論計(jì)算方法，只能通過試驗(yàn)反復(fù)摸索，在反復(fù)試驗(yàn)的過程中產(chǎn)生了較大的花費(fèi)。

在某型C類航空座椅的開發(fā)過程中考慮到飛機(jī)駕駛艙狹小，駕駛員座椅座面高度比較低，并要求在駕駛員臀部不離開座面的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)座椅高度調(diào)節(jié)，靠背角度調(diào)節(jié)等功能，最終選用X型結(jié)構(gòu)的升降底座，但是在進(jìn)行垂直沖擊試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)假人的腰椎載荷超過人體耐受極限6 672 N[5]。

由于X型底座垂直方向的空間非常緊湊，故在水平方向上安裝專有吸能部件，如圖1所示。當(dāng)座椅受到垂直方向的沖擊時(shí)，人與座板壓迫X型底座，垂直方向的沖擊轉(zhuǎn)化為水平方向的沖擊，從而拉動(dòng)水平方向的吸能部件，當(dāng)沖擊達(dá)到啟動(dòng)載荷后，吸能部件開始工作，并吸收沖擊能量，完成對(duì)人體的保護(hù)。

圖1 某型通用類航空座椅

X型件受壓變形簡化模型如圖2所示，吸能裝置在水平方向的行程△L可以通過人機(jī)相對(duì)位移S求得，計(jì)算公式如下：

式中：△L表示吸能部件的吸能行程，S表示人機(jī)垂直方向的相對(duì)位移，2L為X型件的長度，θ1為變形前X型件的夾角，θ2為變形后X型件的夾角。需要指出的是公式（1）求得的是吸能部件必須滿足的最小行程，由于人體剛度、座椅剛度、各種阻尼等因素的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)吸能部件的吸能行程往往需要考慮一定的裕度，圖2所示。

圖2 X型底座變形簡化模型

2.2 吸能部件緩沖載荷的確定

當(dāng)人體受到的墜撞沖擊達(dá)到臨界許用載荷時(shí)，垂直方向的力在X型件上水平方向的分力就是吸能部件的啟動(dòng)載荷。人體在垂直方向受到的臨界沖擊力[6]為 F=G許用·g·mmin，其中 mmin為乘員最小質(zhì)量，G許用為人體可耐受過載，g為重力加速度。X型件上受力分析如圖3所示，則吸能部件啟動(dòng)載荷為：

圖3 X型底座受力分析

隨著人體受到的沖擊達(dá)到，吸能部件開始啟動(dòng)，座椅向下位移。由于安裝方式的原因，隨著X型件夾角θ變小，作用于吸能部件上的力值隨之增大，如圖4所示。但是θ的極限值可由吸能行程及X型底座變形前和變形后的尺寸X1、X2表示。為使吸能部件行程最小化，在理論上，整個(gè)吸能階段需要人體一直受到穩(wěn)定的人體耐受極限載荷G許用，但是由于θ變化，需要求出吸能部件緩沖力的范圍，通過三角函數(shù)轉(zhuǎn)化可以得到所需吸能部件緩沖載荷的表達(dá)式為：

圖4 X型底座變形轉(zhuǎn)化

3 結(jié)束語

本文首先討論了航空座椅的分類，收集整理了航空座椅的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并探討了X型吸能結(jié)構(gòu)在通用飛機(jī)座椅上的安裝方式，由X型機(jī)構(gòu)簡化模型，及變形前后的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出吸能部件的吸能行程及緩沖載荷計(jì)算公式，以指導(dǎo)吸能部件的設(shè)計(jì)。