白春玉 劉小川 惠旭龍 胡銳 張欣玥
摘要:垂向應(yīng)急墜撞速度是評(píng)價(jià)民機(jī)抗墜撞水平的關(guān)鍵輸入?yún)?shù),如何確定飛機(jī)的垂直墜撞速度是型號(hào)耐撞性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的關(guān)鍵問(wèn)題。本文梳理了國(guó)內(nèi)外飛機(jī)結(jié)構(gòu)墜撞試驗(yàn)的垂向墜撞速度選擇情況,并從飛機(jī)的墜撞事故統(tǒng)計(jì)、乘員耐受極限與客艙完整性,以及應(yīng)急墜撞典型工況分析等方面出發(fā),對(duì)民機(jī)適墜性研究中的垂向墜撞速度確定方法進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞:航空安全;適墜性;應(yīng)急墜撞試驗(yàn);墜撞速度;乘員耐受性
中圖分類(lèi)號(hào):TB122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI:10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.002
安全一直都是各國(guó)民航運(yùn)輸中最為基本也是最重要的要求,但受到復(fù)雜氣象環(huán)境、人為失誤、機(jī)械故障等因素影響,飛機(jī)發(fā)生應(yīng)急著陸事故仍時(shí)有發(fā)生。統(tǒng)計(jì)表明,民機(jī)在起飛著陸階段的事故發(fā)生率占到總事故的70%左右,其中大部分為可生存的墜撞事故[1]。
機(jī)體結(jié)構(gòu)的耐撞性是民機(jī)墜撞安全性的基礎(chǔ),影響民機(jī)墜撞安全的主要因素有:(1)墜撞發(fā)生時(shí)飛機(jī)的狀態(tài),包括裝載(貨物、乘員、燃油)、飛機(jī)的墜撞姿態(tài)和墜撞速度(航向與垂向,其中垂向速度又稱(chēng)為下沉速度)等;(2)墜撞發(fā)生時(shí)的地面環(huán)境,如機(jī)場(chǎng)跑道、水面、其他地形等。其中,飛機(jī)應(yīng)急墜撞的垂向速度和動(dòng)能主要通過(guò)機(jī)體結(jié)構(gòu)的變形和破壞吸收,此過(guò)程產(chǎn)生的嚴(yán)酷沖擊環(huán)境對(duì)乘員安全有著直接的影響。
中國(guó)民航規(guī)章CCAR 25部中與墜撞相關(guān)的條款共有42條,分布在7個(gè)章節(jié)[2]。其中,25.561條“應(yīng)急著陸條款”和25.562條“應(yīng)急著陸動(dòng)力要求”中,強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在應(yīng)急著陸過(guò)程中對(duì)每一位乘員提供保護(hù),給出了座椅設(shè)計(jì)的明確動(dòng)力條件,但對(duì)飛機(jī)的撞擊速度特別是垂向撞擊速度并沒(méi)有給出明確要求,而是要求確定一種既嚴(yán)酷又乘員可生存的條件。國(guó)外先后開(kāi)展了數(shù)十次的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)身段或整機(jī)墜撞試驗(yàn)[3-4],國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了系列的機(jī)身段墜撞試驗(yàn)[5-9]。對(duì)于大型運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)的墜撞試驗(yàn)研究多采取了航向速度和垂向速度解耦的思路,且主要開(kāi)展的是全尺寸等直機(jī)身段的垂直墜撞試驗(yàn),作為垂直墜撞試驗(yàn)的關(guān)鍵控制參數(shù),試驗(yàn)中的墜撞速度大多在10m/s左右。對(duì)于通勤類(lèi)飛機(jī)和直升機(jī)的墜撞試驗(yàn)研究多采用垂向和縱向耦合的組合式試驗(yàn)思路,且主要開(kāi)展的是全尺寸整機(jī)墜撞試驗(yàn)。
針對(duì)特定的飛機(jī)型號(hào),如何確定垂直墜撞速度這一重要控制參數(shù),是型號(hào)耐撞性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的關(guān)鍵問(wèn)題,但國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有開(kāi)展系統(tǒng)性的研究工作。本文梳理了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中的民機(jī)結(jié)構(gòu)垂向墜撞速度選擇情況,并從墜撞事故統(tǒng)計(jì)、乘員耐受度極限與客艙完整性,以及應(yīng)急墜撞典型工況分析等方面出發(fā),對(duì)飛機(jī)墜撞研究中的墜撞速度確定方法進(jìn)行了討論。
1民機(jī)墜撞問(wèn)題的分類(lèi)
1.1民機(jī)墜撞事故的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)
為便于事故統(tǒng)計(jì),根據(jù)墜撞中的機(jī)體破壞和乘員生存情況,民機(jī)墜撞事故主要分為以下三類(lèi)[10]。
(1)輕微墜撞可生存事故
事故中沒(méi)有人員死亡,飛機(jī)受控且起落架功能正常,硬著陸撞擊地面,飛機(jī)的動(dòng)能主要由起落架緩沖和剎車(chē)系統(tǒng)耗散,這種情況一般不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果,飛機(jī)機(jī)體一般未損壞或僅出現(xiàn)輕微損壞,座椅靠肩帶、安全帶等設(shè)備的約束可以對(duì)乘員提供足夠的保護(hù),也稱(chēng)為輕度墜損事故。
(2)嚴(yán)重墜撞可生存事故
事故中出現(xiàn)了人員死亡或重傷情況,但至少有一名人員生還,通常出現(xiàn)起落架無(wú)法正常放下等故障,以致飛機(jī)需要以“機(jī)腹擦地”的形式進(jìn)行迫降,飛機(jī)的動(dòng)能主要通過(guò)機(jī)體結(jié)構(gòu)與道面的碰撞、摩擦等形式耗散,飛機(jī)將不同程度受損,這類(lèi)事故也是民機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)針對(duì)的主要場(chǎng)景。
(3)嚴(yán)重墜撞不可生存事故
事故中沒(méi)有乘員生還,飛機(jī)以較大的速度和較為極端的姿態(tài)墜落,墜撞過(guò)程的沖擊過(guò)程傳遞至客艙的過(guò)載超出人員的承受極限或客艙生存空間遭到嚴(yán)重破壞,這種情況往往導(dǎo)致較為嚴(yán)重的災(zāi)難性后果,飛機(jī)機(jī)體出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞或全毀。
1.2民機(jī)墜撞事故嚴(yán)重程度與事故數(shù)量的關(guān)系
以上三類(lèi)事故的共同特征是飛機(jī)的下沉速度超過(guò)了起落架系統(tǒng)和相關(guān)機(jī)體結(jié)構(gòu)的正常設(shè)計(jì)要求,如起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大下沉速度為3.05m/s。對(duì)1997—2018年之間NTSB數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)墜撞事故分類(lèi)后可以發(fā)現(xiàn),在總計(jì)1141次事故中,輕微墜撞可生存事故、嚴(yán)重墜撞可生存事故和嚴(yán)重墜撞不可生存事故的數(shù)量分別為955起、109起和77起。事故嚴(yán)重程度和事故數(shù)量之間的關(guān)系如圖1所示。
在這109起嚴(yán)重墜撞可生存事故中,共導(dǎo)致了19707人死亡,如果提高這類(lèi)事故中飛機(jī)的抗墜撞能力,可以顯著地降低事故傷亡率。
2墜撞速度選擇情況分析
2.1國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)飛機(jī)墜撞試驗(yàn)研究情況
全尺寸墜撞試驗(yàn)是獲得墜撞過(guò)程材料和結(jié)構(gòu)失效模式、分析能量耗散過(guò)程等的必要試驗(yàn),也是驗(yàn)證飛機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)的最直接手段,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和制造商開(kāi)展了大量的全尺寸結(jié)構(gòu)墜撞試驗(yàn)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)蘭利研究中心(LaRC)先后開(kāi)展了40余次的輕型固定翼飛機(jī)整機(jī)墜撞試驗(yàn)和59次的直升機(jī)整機(jī)墜撞試驗(yàn)、三次波音707飛機(jī)機(jī)身框段墜撞試驗(yàn)[11-13]。美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)進(jìn)行了兩次波音737飛機(jī)機(jī)身框段垂直墜撞試驗(yàn)。波音公司開(kāi)展了787飛機(jī)的復(fù)材機(jī)身段墜撞試驗(yàn)。墜撞試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。
歐盟第四框架項(xiàng)目“商用飛機(jī)撞擊生存能力設(shè)計(jì)”和第五合作框架項(xiàng)目“飛機(jī)高速撞擊時(shí)的適墜性”對(duì)飛機(jī)適墜性進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的研究,并針對(duì)A320飛機(jī)開(kāi)展了7m/s的垂直墜撞試驗(yàn)[14]。
日本針對(duì)YS-11飛機(jī)頻出的墜毀問(wèn)題(交付182架,發(fā)生事故36次,26架飛機(jī)完全損毀,共造成254人死亡),開(kāi)展了機(jī)身結(jié)構(gòu)墜撞試驗(yàn)研究工作,進(jìn)行了兩次全尺寸機(jī)身框段垂直墜撞試驗(yàn)[15]。
中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所2012年完成了國(guó)內(nèi)首次的全尺寸機(jī)身結(jié)構(gòu)垂直墜撞試驗(yàn),如圖3所示,近年來(lái)在復(fù)合材料機(jī)身墜撞試驗(yàn)、機(jī)體吸能結(jié)構(gòu)墜撞試驗(yàn)方面也開(kāi)展了多項(xiàng)試驗(yàn)研究工作。
2.2墜撞速度分析
表1梳理了國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的墜撞試驗(yàn),包括試驗(yàn)飛機(jī)的類(lèi)型、型號(hào)、試驗(yàn)時(shí)間、速度(垂向和縱向)和墜撞環(huán)境等。
從表1可知,國(guó)內(nèi)外主要開(kāi)展了通用飛機(jī)、直升機(jī)以及大型客機(jī)三類(lèi)平臺(tái)的墜撞試驗(yàn)研究工作,不同特征飛機(jī)的墜撞速度選擇也有較大不同。對(duì)于輕型固定翼飛機(jī)和直升機(jī),主要開(kāi)展整機(jī)墜撞試驗(yàn)研究,多采用垂向和縱向耦合的組合式試驗(yàn)方案,其中直升機(jī)的最大垂向撞擊速度為12.80m/s,最小垂向撞擊速度為7.90m/s;通用飛機(jī)的最大垂向撞擊速度為9.45m/s,最小垂向撞擊速度為7.01m/s。這些速度的選擇主要來(lái)源于MIL-STD-1290 (AV)給出的設(shè)計(jì)要求[16]。
對(duì)于大型客機(jī)的抗墜撞問(wèn)題,由于試驗(yàn)成本的限制,主要開(kāi)展了機(jī)身段垂直墜撞試驗(yàn),最小垂向撞擊速度6.1m/s,最大垂向撞擊速度9.14m/s。這些速度的確定并沒(méi)有直接的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源,但其確定方法大致可分為三類(lèi),首先是同類(lèi)飛機(jī)的事故統(tǒng)計(jì)分析,其次是基于人體耐受度和客艙生存空間的考慮,如一般要求墜撞過(guò)程中客艙地板過(guò)載不大于20,最后是基于某種典型的嚴(yán)重著陸場(chǎng)景分析。最終確定的墜撞速度按照適航要求是一種既嚴(yán)重又可生存的條件,并綜合衡量飛機(jī)安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素。
3民機(jī)應(yīng)急墜撞垂向墜撞速度確定方法
3.1基于墜撞事故統(tǒng)計(jì)的確定方法
美國(guó)陸軍在20世紀(jì)60—70年代就針對(duì)輕型固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)的墜撞事故進(jìn)行調(diào)查研究,共調(diào)查了563起旋翼機(jī)事故和92起固定翼機(jī)事故,排除不符合統(tǒng)計(jì)范疇的事故后篩選了373起事故樣本。給出了可生存事件的累計(jì)概率分布曲線(xiàn),如圖4所示,提出了基于可生存事故墜撞累計(jì)頻率的飛機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)要求,此方法基于墜機(jī)事故的調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析,總體比較科學(xué),為開(kāi)展飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)提供了一定指導(dǎo),美軍以95%可生存事故累計(jì)頻率作為輕型固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)要求條件。
但對(duì)于大型客機(jī),影響墜撞安全的參量眾多,每次事故發(fā)生的原因都很復(fù)雜,難以建立起統(tǒng)一的可生存事故墜撞累計(jì)頻率統(tǒng)計(jì)樣本曲線(xiàn),同時(shí),不同的適航審定部門(mén)對(duì)嚴(yán)重但可生存的墜撞條件理解也不同。一般來(lái)說(shuō),同一制造商可以根據(jù)其同類(lèi)飛機(jī)的典型墜撞案例或試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出下一代飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)要求,以及由此確定其抗墜撞驗(yàn)證的條件,如FAA要求波音787飛機(jī)具有等同于波音777飛機(jī)的墜撞安全性??湛虯340飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)和評(píng)定就很大程度上借鑒了A330飛機(jī)和A320飛機(jī)的墜撞案例和試驗(yàn)數(shù)據(jù),此種做法事實(shí)上也是一種基于事故統(tǒng)計(jì)分析的方法。
3.2基于乘員耐受極限與客艙完整性要求的確定方法
乘員保持自主撤離能力、客艙完整性得到保持(座椅和頭頂行李架等可靠連接、通道通暢、應(yīng)急門(mén)可以打開(kāi)等)是墜撞后乘員安全的重要保障,因此,對(duì)于全新設(shè)計(jì)沒(méi)有可供參考的對(duì)比飛機(jī),可以根據(jù)人體耐受度和客艙完整性的要求,確定可生存墜撞速度。
墜撞過(guò)程中,結(jié)構(gòu)傳遞給乘員的過(guò)載峰值、過(guò)載持續(xù)時(shí)間以及平均過(guò)載的大小均是影響人員損傷程度關(guān)鍵的因素。研究人體損傷的學(xué)者將沖擊對(duì)人員的情況劃分為三個(gè)區(qū)域,即損傷安全區(qū)域、嚴(yán)重但可接受區(qū)域和嚴(yán)重且不可接受區(qū)域[17],如圖5所示。在損傷安全區(qū)域,可能會(huì)造成人員的輕度受傷,如擦傷,一般不會(huì)造成嚴(yán)重的生理?yè)p傷,乘員具備自主撤離能力;在嚴(yán)重但可接受區(qū)域,可能會(huì)引起人員中等嚴(yán)重程度的外傷,或?qū)е律眢w殘疾等生理?yè)p傷,通過(guò)及時(shí)的治療可保證生存,但會(huì)影響人員的自主撤離能力;在嚴(yán)重且不可接受區(qū)域,人員受到極其嚴(yán)酷的損傷,幾乎不可能生存。
飛機(jī)的墜撞速度與乘員經(jīng)受過(guò)載、客艙的變形等是正相關(guān)的,可基于乘員的沖擊耐受度,以及結(jié)合飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的飛機(jī)嚴(yán)重但可接受的極限墜撞速度。以某飛機(jī)典型機(jī)身結(jié)構(gòu)為例(第23~26框等直機(jī)身段,長(zhǎng)度為1.71m),當(dāng)墜撞速度分別為4.5m/s和13.5m/s時(shí),此機(jī)身結(jié)構(gòu)客艙地板的平均過(guò)載分別對(duì)應(yīng)于16和40。可以看出,地板過(guò)載16時(shí),再考慮座椅的減緩作用,人體不會(huì)受到明顯傷害,同時(shí)客艙保持完整,這是一種不夠嚴(yán)重的墜撞環(huán)境,如圖6(a)所示;當(dāng)?shù)匕暹^(guò)載40時(shí),人體可能?chē)?yán)重受傷,同時(shí)貨艙立柱頂穿了地板且客艙整體變形明顯,此情況下,座椅、艙門(mén)和頭頂行李架均有較大的變形可能,存在客艙完整性影響乘員生存空間的較大風(fēng)險(xiǎn),這是一種過(guò)于嚴(yán)重的墜撞環(huán)境,如圖6(b)所示。對(duì)于該飛機(jī),選擇的墜撞速度應(yīng)介于這兩個(gè)速度之間。
3.3基于飛行典型嚴(yán)重著陸狀態(tài)的確定方法
通過(guò)對(duì)民機(jī)應(yīng)急墜撞事故統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),可生存應(yīng)急墜撞事件一般發(fā)生在飛機(jī)的起飛著陸階段,且飛機(jī)多在可控的條件下著陸,即墜地前飛行員仍可對(duì)飛機(jī)進(jìn)行有效操縱。其中一種典型嚴(yán)重情況是前起落架不能放下(如起落架的機(jī)械卡阻、液壓管道破裂等故障),需要飛行員選擇飛機(jī)以主起落架(主起)兩點(diǎn)著陸,然后前機(jī)身擦地著陸,這是一種非常典型的嚴(yán)重應(yīng)急著陸狀態(tài),有大量的應(yīng)急墜撞案例,如2018年5月21日,沙特阿拉伯航空公司的一架空客A330客機(jī)由于液壓系統(tǒng)故障,前起落架無(wú)法放下而導(dǎo)致應(yīng)急著陸。
本文以某型飛機(jī)為例[18],模擬前起落架故障無(wú)法放下,主起落架兩點(diǎn)著陸的嚴(yán)重狀態(tài),對(duì)前機(jī)身的撞地速度進(jìn)行分析,如圖7所示。飛機(jī)著陸重量(質(zhì)量)為26500kg,考慮嚴(yán)重工況,假設(shè)飛機(jī)的垂向著陸速度為最大設(shè)計(jì)著陸下沉速度3.05m/s,尾沉角θ0= 7°,飛機(jī)縱向速度為50m/s,表2給出了其他計(jì)算參數(shù)(部分參數(shù)為根據(jù)飛機(jī)總體參數(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)值)。表2中,I為機(jī)體繞重心轉(zhuǎn)軸俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、θ為飛機(jī)俯仰角、Fx為主起落架所受摩擦力、Fy為主起落架所受垂直載荷、FL為飛機(jī)所受升力、Ft為飛機(jī)所受推力、h1為主起輪胎距重心的高度、h2為推力距重心的高度、l1為主起落架垂直載荷距離重心水平距離、l2為升力距離重心水平距離。
飛機(jī)受力狀態(tài)如圖7所示,飛機(jī)尾沉姿態(tài)應(yīng)急著陸過(guò)程中,由其自身重力、地面對(duì)起落架的支持力等作用下使飛機(jī)繞重心軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),可建立平衡方程如下:
4結(jié)束語(yǔ)
本文梳理了國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的輕型固定翼飛機(jī)、直升機(jī)以及大型客機(jī)等飛機(jī)的結(jié)構(gòu)墜撞試驗(yàn)研究工作,數(shù)據(jù)表明,不同類(lèi)型飛機(jī)的墜撞速度選擇和試驗(yàn)方式均有較大不同,對(duì)于大型客機(jī),主要開(kāi)展了機(jī)身段垂直墜撞試驗(yàn)。對(duì)于輕型固定翼飛機(jī)和直升機(jī),主要開(kāi)展整機(jī)的垂向和縱向耦合墜撞試驗(yàn)。從墜撞事故統(tǒng)計(jì)、乘員耐受極限與客艙完整性,以及應(yīng)急墜撞典型工況分析等方面出發(fā),對(duì)民機(jī)適墜性研究中的垂向墜撞速度確定方法進(jìn)行了討論,主要結(jié)論如下:
(1)基于墜撞事故統(tǒng)計(jì)提出的墜撞累計(jì)頻率的飛機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)方法,國(guó)外在輕型固定翼飛機(jī)和直升機(jī)的抗墜撞研究中進(jìn)行了較好的應(yīng)用,該方法總體比較科學(xué)。在缺少大型客機(jī)墜撞事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情形下,可根據(jù)其同類(lèi)飛機(jī)的墜撞數(shù)據(jù)提出下一代飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)和墜撞試驗(yàn)速度的條件。
(2)基于乘員耐受極限與客艙完整性要求的確定方法,飛機(jī)的應(yīng)急墜撞速度與沖擊過(guò)程對(duì)乘員的過(guò)載響應(yīng)正相關(guān),可基于乘員的可生存沖擊耐受極限,以及結(jié)合飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算得到飛機(jī)的上限和下限墜撞速度,飛機(jī)的實(shí)際可生存墜撞速度范圍應(yīng)介于這兩個(gè)速度之間。
(3)提供了一種飛機(jī)前起落架無(wú)法放下,飛機(jī)可控應(yīng)急著陸的前機(jī)身撞地垂向速度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,結(jié)果表明飛機(jī)前機(jī)身觸地的垂向速度屬于可生存應(yīng)急墜撞范疇,可為飛機(jī)在可控狀態(tài)下應(yīng)急墜撞速度的確定提供參考。
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作者簡(jiǎn)介
白春玉(1984-)男,碩士,高級(jí)工程師。主要研究方向:結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。
Tel:029-88268610
E-mail:baichunyu2006@163.com
劉小川(1983-)男,博士,研究員。主要研究方向:結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)。
Tel:029-88268805E-mail:liuxiaochuan@cae.ac.cn
惠旭龍(1989-)男,碩士,工程師。主要研究方向:材料/結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。
Tel:029-88268285E-mail:742849400@163.com
Discussion on the Problem of Vertical Crash Velocity in the Study of the Crashworthiness of Civil Aircraft
Bai Chunyu,Liu Xiaochuan*,Hui Xulong,Hui Rui,Zhang Xinyue
Aviation Key Laboratory of Technology and Science on Structure Impact Dynamics,Aircraft Strength Research Institute,Xian 710065,China
Abstract: Vertical emergency crash velocity is a key input parameter for evaluating the crash resistance of civil aircraft, and the determination of its value is the key to the aircraft design and verification of crashworthiness. This paper summarizes the domestic and foreign relevant research on the selection of the vertical crash velocity. Based on the analysis of crash accident statistics, occupant tolerance limits and cabin integrity, as well as the analysis of aircraft landing status and characteristics, the determination method of vertical crash velocity in the study of crashworthiness of civil aircraft is discussed.
Key Words: aviation safety; crashworthiness; emergency crash test; crash velocity; occupant tolerance limits