防雷座椅吸能指標分析

(中國航空救生研究所 湖北 襄陽 441003)

一、引言

坦克裝甲車輛乘員執(zhí)行時以乘坐姿態(tài)為主，因此座椅對其疲勞度和生存能力的影響很大。從近年來的局部戰(zhàn)爭和國際維和沖突來看，軍用車輛面臨地雷和簡易爆炸裝置的威脅與日俱增，乘員的防護需求也越來越高。裝甲車輛受到爆炸波攻擊時，很多傷亡事故不是由于裝甲被擊穿而造成的，而更多的是由爆炸沖擊波造成的。由于很多傳統(tǒng)座椅沒有抗爆吸能設(shè)計，致使最終傳遞到乘員身上的沖擊波能量會超出人體耐受極限的20～30倍，導(dǎo)致骨骼等身體結(jié)構(gòu)受到嚴重擠壓，極易形成脊椎骨折等傷亡事故[1]。因此座椅的抗爆轟沖擊能力對于整車的防雷水平和乘員生存能力也尤為重要。

目前國內(nèi)的防雷座椅的研究還處于起步階段，尚未形成成熟完善的技術(shù)體系，也缺乏相應(yīng)的標準規(guī)范，而防雷座椅的核心技術(shù)就是抗爆轟吸能，因此確定座椅的吸能指標是防雷座椅研究的重點之一。

二、國內(nèi)外防雷座椅產(chǎn)品概況

目前國外對防雷座椅的重視程度日漸提升，已經(jīng)有廠商開始了相關(guān)的研制工作，其中走到世界前列的有英國間科公司、德國Autoflug公司、以色列Mobius PS公司等。國內(nèi)，航宇救生裝備有限公司研制的防雷座椅和溫嶺富康汽車座椅公司也有些產(chǎn)品在進行裝機試用，但未進行必要的性能驗證。也就是說，國外對防雷座椅的研究走在前列，國內(nèi)的防雷座椅研究尚處于起步階段，未形成成熟的技術(shù)體系。

由于國外坦克裝甲車輛直接參與了許多戰(zhàn)爭和沖突，大量的事故積累讓他們更早的重視到車輛座椅的防地雷設(shè)計問題，美國、德國、以色列、英國和南非等國家走的比較先前，研制的防雷座椅已經(jīng)成功裝備M1系列主戰(zhàn)坦克、豹2A6主戰(zhàn)坦克、M2/M3布雷德利步兵戰(zhàn)車、猛虎步兵戰(zhàn)車等各種軍用裝甲車輛[2]。其中以色列的防雷座椅產(chǎn)品長期處于實戰(zhàn)考驗當(dāng)中，對提升車內(nèi)人員的生存率發(fā)揮了重要作用。

通過資料收集，對國外主流的防雷座椅產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)進行匯總，詳見表1。從表1可以看出，防雷座椅的輸入指標基本可以統(tǒng)一為過載峰值和沖擊脈寬兩項。輸出指標則分別采取了腰椎載荷，DRI以及骨盆等處的輸出過載，未形成統(tǒng)一。

表1 國外主流防雷座椅技術(shù)參數(shù)

圖1 美國BEA公司座椅的試驗方法及合格判據(jù)

三、國內(nèi)外防雷座椅相關(guān)標準

國外防雷座椅對于防雷吸能的要求大多以北約的NATO STANGA 4569(車輛防護等級)為主要標準，該標準以整個車輛為考核對象，其中地雷防護等級劃分見表2。其中，a指可防護在車輛輪下起爆相應(yīng)當(dāng)量TNT的地雷，b指可防護車輛中央下部起爆相應(yīng)當(dāng)量TNT的地雷[3]。

表2 NATO STANGA 4569中地雷防護級別

為了評定車輛對應(yīng)的防護等級，北約還出臺了NATO AEP-55(車輛乘員防護等級評測程序)[4]和NATO RTO-TR-HFM-090(反車輛雷的裝甲車乘員防護效果試驗方法)，明確了整車的詳細測試試驗規(guī)程[5]。但由于NATO STANGA 4569是為整車而制定的標準，包括其配套的測試標準中，都沒有給出針對座椅的輸入指標，但對座椅輸出指標，也就是乘員的傷害評定辦法給出了相應(yīng)的規(guī)定，詳見表3。

表3 NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090對乘員的考核指標

其中AIS(Abbreviated Injury Scale)為簡易傷害評價等級；DRI(Dynamical Response Index)為動態(tài)響應(yīng)指數(shù)；HIC(head Injury criteria)為頭部傷害標準。在NATO RTO-TR-HFM-090中，還詳述了乘員的各項考核指標的具體來源，提到小腿和脊椎還可以通過平均加速度(見附1)和最大速度變化量進行安全判定，分別對應(yīng)站姿和坐姿條件沖擊乘員損傷閾值曲線，詳見圖2和圖3。

圖2 站姿條件沖擊乘員的損傷閾值曲線圖

圖3 坐姿條件沖擊乘員的損傷閾值曲線

另外，NATO RTO-TR-HFM-090中，還提到了通過腰椎載荷進行判定的方法與BEA公司產(chǎn)品采用的判定標準和其他沖擊領(lǐng)域的人體要求限值一致。按NATO RTO-TR-HFM-090的指標來源描述，對圖2和圖3的判據(jù)進行整理并轉(zhuǎn)換為公制單位，詳見表4。

表4 NATO RTO-TR-HFM-090中探討的其他指標

總裝備部工程兵科研二所防雷防爆性能檢測評估中心在地雷爆炸與防護方面的研究在國內(nèi)比較領(lǐng)先，其編制的《車輛防雷防爆試驗方法》中對乘員的傷害標準有詳細的規(guī)定，詳見表5[6]。

表5 《車輛防雷防爆試驗方法》中乘員傷害標準的規(guī)定

這個標準中，大部分內(nèi)容跟NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090的要求一致，其中聽覺器官為新增內(nèi)容，但該指標主要針對車體進行考核，座椅不予考慮；腳/踝關(guān)節(jié)和脊椎則增加了平均加速度的指標描述，在NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090的匯總指標中沒有，但與補充探討的表4中指標要求一致。

另外，國內(nèi)還有比較接近的GJB2689-96《水面艦艇沖擊對人體作用安全限值》，規(guī)定了水面艦艇在受到爆炸攻擊時的乘員損傷要求，也采用了平均加速度指標，詳見圖4。

圖4 水面艦艇沖擊中人體安全限值及其引起的沖擊損傷閥值曲線

由于水面艦艇與人的接觸位置主要是下肢，主要考核對象也是腳和小腿，并且從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，輕度和中度損傷區(qū)的分界線，與表4和表5中小腿和腳/踝關(guān)節(jié)的指標一致[7]。

四、防雷座椅輸入指標分析

由于國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準中均沒有防雷座椅的輸入指標要求，現(xiàn)依據(jù)表1中國外防雷座椅產(chǎn)品的輸入指標，整理篩選出相近的典型輸入要求，詳見表6。

表6 防雷座椅輸入指標整理

另外從表1中國外防雷座椅產(chǎn)品的11項指標清單，僅有4項是通過實爆進行試驗驗證，更多的是采用墜落或墜撞試驗，且表6中整理合并的兩檔典型輸入指標都可通過墜落或墜撞實現(xiàn)。對比表6中整理合并的兩個輸入狀態(tài)，雖然2000g@2ms看起來要比400g@4ms更嚴酷，但其輸入/試驗方法表明，400g@4ms相應(yīng)的墜落速度7.9m/s卻大于2000g@2ms對應(yīng)的6.8m/s更大，因此不能表明哪一檔對應(yīng)的防護等級更高，因此建議按照試驗條件選擇其中一檔執(zhí)行，詳見表7。

表7 防雷座椅輸入指標建議

五、防雷座椅輸出指標分析

國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)標準中，提到的乘員輸出指標種類較多，而實際的防雷座椅產(chǎn)品大多都僅選擇了脊/腰椎相關(guān)的指標進行考核，詳見表8。究其原因，一是脊椎指標相對來說對人體生存更為核心，嚴酷程度更高，二是脊/腰椎指標在墜落/墜撞和爆炸等方法的試驗當(dāng)中更容易測試與處理，因此防雷座椅應(yīng)將脊椎列為首要的強制考核對象，其他指標則參考實際測試試驗情況選擇參考執(zhí)行。

從表8可以看出，腰椎載荷有一定參考價值，但可以不作為考核指標；DRI和平均加速度的指標國內(nèi)外標準均有提及，具有一定的替代性，應(yīng)當(dāng)選擇一個作為考核指標；輸出過載指標僅能直觀的表征吸能性能，沒有可依據(jù)的考核標準，無法作為考核指標。按上述分析，再結(jié)合其他指標情況，制定防雷座椅對乘員的建議考核輸出指標，詳見表9。

表8 國外防雷座椅輸出指標分析

表9 防雷座椅對乘員的建議輸出指標

脊椎平均加速度平均加速度<15g 或者最大速度變化<4.5m/s可能AIS3參考執(zhí)行DRI≤17.710%AIS2+參考執(zhí)行頸部軸向壓力4kN/0ms,1.1KN/30ms可能AIS2+參考執(zhí)行內(nèi)部器官胸壁速率3.6 m/s(不含聽覺系統(tǒng))無傷害參考執(zhí)行

六、總結(jié)

本文整理了國外主流防雷座椅產(chǎn)品的主要技術(shù)指標和部分座椅的試驗驗證情況，并結(jié)合國內(nèi)外防雷座椅的相關(guān)標準和技術(shù)文獻，對防雷座椅吸能要求的輸入指標和輸出技術(shù)指標進行了系統(tǒng)的篩選、對比與分析，并結(jié)合座椅防雷測試試驗條件，系統(tǒng)的提出了防雷座椅吸能要求相關(guān)的輸入和輸出建議指標，詳見表7和表9。這套指標的確定對國內(nèi)防雷座椅的研制規(guī)范化有積極意義，并對未來防雷座椅技術(shù)標準的制定具有參考價值。