基于動態(tài)沖擊試驗的通勤類飛機座椅符合性驗證技術(shù)

孫金波

(中國民用航空沈陽航空器適航審定中心， 沈陽 110043)

旅客座椅是通勤類飛機主要機載設(shè)備之一。旅客進入客艙后，絕大部分活動都在座椅上進行，座椅對旅客在客艙內(nèi)的舒適性和安全性[1]起到至關(guān)重要的作用。旅客座椅不僅是飛機的必不可少的組成設(shè)備，同時也直接影響著客艙的安全[2]，是保護乘員不受致命傷害的最后一道屏障[3]，進而影響到飛機的適航性[4]。座椅主結(jié)構(gòu)通過吸能系統(tǒng)等的設(shè)計，可有效保證旅客在應急情況下承受的過載不超過人體生理耐限，座椅約束系統(tǒng)可保證在應急情況下，將旅客牢固地固定在座椅上，避免與機上設(shè)備發(fā)生碰撞而受到二次傷害。

某型通勤類飛機客艙采取19座布局，座艙通道左側(cè)布置5個單人旅客座椅，右側(cè)布置7個雙人旅客座椅。該型機在取得中國民用航空局(CAAC)頒發(fā)的型號合格證之后，申請歐洲航空安全局(EASA)型號合格證。EASA通過頒發(fā)編號為CRI-A-01的審定評審項(CRI)確定了審定基礎(chǔ)為CS-23 Amendment3。與原審定基礎(chǔ)CCAR-23-R3[5]相比，增加了CS23.562條款作為審定基礎(chǔ)，明確了該型飛機旅客座椅必須滿足相應的動態(tài)要求，并通過CRI-A-08將其定義為重大規(guī)章差異項(SRD)，確定為EASA的認可審查項(VI)，并且作為EASA直接審查項目。經(jīng)過分析及科研試驗，原旅客座椅無法滿足CS23.562的動態(tài)要求，因此，首先對該型機原有旅客座椅進行了改型設(shè)計，然后再通過動態(tài)沖擊試驗對改型后的旅客座椅進行符合性驗證。

動態(tài)試驗對完成人椅約束系統(tǒng)在動載環(huán)境下使用安全性評估具有不可替代性[6]。本研究通過解讀相應適航條款及標準，確定其符合性方法及驗證試驗方案，開展基于加速型水平?jīng)_擊滑車的航空座椅動態(tài)要求適航驗證試驗，以此表明對相關(guān)適航條款的符合性。

1 座椅動態(tài)性能基本要求

1.1 適用規(guī)章及標準

對通勤類飛機旅客座椅的動態(tài)要求來源于CS23.562條款，該條款要求：飛機上的座椅和約束系統(tǒng)，必須設(shè)計成在應急著陸時能保護乘員。每一個座椅和約束系統(tǒng)，必須按照規(guī)章規(guī)定的每一條件成功地完成動力試驗或者用有動力試驗支持的合理分析來證明。

座椅屬于技術(shù)標準規(guī)定(CTSO)項目，CTSO-C127b[7]中也對小飛機的座椅提出了相應的動態(tài)要求，其主要內(nèi)容源自于SAE AS 8049B[8]。

符合性驗證過程比較復雜，且適航規(guī)章和技術(shù)標準規(guī)定中對一些試驗細節(jié)描述不夠詳盡，在CS-23的BOOK 2中給出了推薦的局方可接受的符合性方法(AMC)，其中AMC 23.562指出，F(xiàn)AA的咨詢通告AC23.562-1[9]可以作為表明符合CS-23關(guān)于座椅/約束系統(tǒng)動態(tài)要求的可接受的符合性方法。

相較于AC23.562-1，AC25.562-1B[10]的內(nèi)容更為完善、詳細、可操作性強，因此，在滿足AC23.562-1要求的前提下，本項目試驗過程的具體實施細節(jié)主要參考AC25.562-1B。

1.2 基本要求

根據(jù)適航規(guī)章要求，對于通勤類飛機座椅的動態(tài)要求主要包括垂直沖擊和水平?jīng)_擊兩部分，主要參數(shù)要求如表1所示。

表1 主要參數(shù)要求

座椅試驗件狀態(tài)(含座椅墊和約束系統(tǒng))必須代表最終產(chǎn)品的真實狀態(tài)，此外由座椅或約束系統(tǒng)進行承擔或定位的其他質(zhì)量項目也必須模擬，如救生裝置等。試驗件的安裝狀態(tài)應能代表實際的安裝狀態(tài)，導軌也必須代表座椅導軌的實際安裝特征。試驗安裝架應具備根據(jù)需要模擬地板變形的能力，除非型號裝機規(guī)范中對應急著陸條件下的地板變形沒有要求或不考慮。

另外非常重要的一點是，動態(tài)試驗結(jié)果必須表明乘員不受到嚴重的頭部損傷，如果乘員可能撞擊附近任何設(shè)備[11]，則必須給乘員提供保護，并證明頭部損傷判據(jù)(HIC)不超過1 000，HIC值計算公式[12]為

(1)

式中：t1為積分初始時間，s；t2為積分終止時間，s；(t2-t1)為主要頭部撞擊持續(xù)時間，s；a(t)為頭部重心處合成負加速度，以g的倍數(shù)表示。

2 計算分析

2.1 試驗座椅構(gòu)型篩選

該型機的單人旅客座椅和雙人旅客座椅的椅腿、側(cè)支板、安全帶、椅背結(jié)構(gòu)均完全相同，僅座位數(shù)量不同，兩型座椅的主傳力路徑一致，參考AC23.562-1中的定義，該兩型座椅為同一家族座椅。

AC23.562-1中指出，對于構(gòu)型相似的家族座椅，只需選擇試驗中受載最嚴酷的座椅構(gòu)型進行試驗。通過對座椅施加水平向前的靜態(tài)載荷的計算分析，來選擇座椅椅腿后連接件載荷最大的座椅作為水平?jīng)_擊的試驗對象。通過對座椅施加垂直向下的靜態(tài)載荷的計算分析，然后選擇不同座椅椅腿后連接件的載荷最大的座椅作為垂直沖擊的試驗對象。

綜合考慮適航規(guī)章要求和某型飛機飛行載荷包線情況，在飛機滿座狀態(tài)下，計算得到座椅椅腿后連接件的載荷如表2所示。

表2 椅腿后連接件載荷

由表2可知，向前加載情況下，載荷最大值出現(xiàn)在雙人旅客座椅的左后椅腿連接件，載荷為 17 848.39 N。向下加載情況下，載荷最大值出現(xiàn)在雙人旅客座椅的左后椅腿連接件，載荷值為 3 112.95 N。因此，水平?jīng)_擊試驗和垂直沖擊試驗均應選擇雙人旅客座椅構(gòu)型進行。

此外，對于家族座椅中，椅腿間距最小的座椅，還應進行水平?jīng)_擊試驗前的地板變形測試，因此，單人旅客座椅需要單獨進行地板變形試驗。

2.2 地板變形工況篩選

根據(jù)SAE AS8049B要求，在進行水平?jīng)_擊試驗前，應通過試驗支架或工裝來模擬產(chǎn)生地板變形，即通過工裝使座椅一側(cè)滑軌下俯或上仰10°，另一側(cè)滑軌順時針或逆時針滾轉(zhuǎn)10°，以驗證在墜撞力作用下雖然飛機及座椅已嚴重變形，但座椅仍然連接在飛機機體上。同時，試驗時還應考慮偏航的影響，使座椅向左或向右偏航10°。

根據(jù)表2計算結(jié)果，雙人旅客座椅左后椅腿連接件載荷最大，所以右椅腿下俯10°可使受拉載荷最嚴酷的左后椅腿連接件受拉趨勢增大；左椅腿逆時針滾轉(zhuǎn)10°可背離因右椅腿下俯導致左椅腿向座椅中心翻轉(zhuǎn)的趨勢，使左后椅腿載荷更嚴酷；座椅左偏航10°安裝，可使沖擊方向指向俯仰梁下俯的椅腿鎖，加劇下俯趨勢，并加劇滾轉(zhuǎn)側(cè)后椅腿鎖的受拉程度，使座椅在地板變形時受載最嚴酷。綜上所述，雙位旅客座椅水平?jīng)_擊試驗地板變形工況確定為：右椅腿下俯10°，左椅腿逆時針滾轉(zhuǎn)10°，座椅左偏航10°。

根據(jù)表2計算結(jié)果，單人旅客座椅右后側(cè)椅腿連接件載荷最大，同樣道理可確定，其地板變形試驗工況確定為：左椅腿下俯10°，右椅腿順時針滾轉(zhuǎn)10°，座椅右偏航10°。

3 試驗規(guī)劃及合格判據(jù)

通過以上分析，為充分驗證旅客座椅滿足規(guī)章的動態(tài)要求，該型機旅客座椅共規(guī)劃了5組動態(tài)試驗，分別為垂直沖擊試驗、水平?jīng)_擊試驗、地板變形試驗、C區(qū)HIC試驗和AB區(qū)HIC試驗。

根據(jù)SAE AS8049B要求，如客艙第1排座椅的布置使乘員頭部能夠撞擊到前部構(gòu)件，則第1排座椅動態(tài)試驗的主要參數(shù)將有別于其他排座椅，如表1所示，該型機客艙第1排座椅參考點距前隔板距離為42.3 in(1 in=25.4 mm)，大于AC25.562-1B中要求的42 in，可以不單獨考核第1排座椅的動態(tài)性能，所以該型機旅客座椅動態(tài)試驗主要應符合表1中序號2和序號4所要求的參數(shù)。

動態(tài)試驗的試驗設(shè)備主要包括動態(tài)沖擊試驗臺車系統(tǒng)(加速臺)、攝像系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等。對試驗原始記錄數(shù)據(jù)的處理采用低通數(shù)字濾波的方法，按照SAE J211標準執(zhí)行，以保證滿足試驗要求。試驗溫度、濕度、座椅狀態(tài)、假人腳踏板及變形測量等細節(jié)按SAE AS8049B要求執(zhí)行。

3.1 垂直沖擊試驗

3.1.1 試驗規(guī)劃

垂直沖擊試驗使用雙人旅客座椅安裝2個假人進行，假人使用適航當局認可的擬人試驗模型(ATD)，其名義重量為77 kg，坐在正常的向上位置。CS23.562條款要求的沖擊方向為下偏30°，考慮到試驗臺現(xiàn)狀和易操作性，通過三腳架，將下偏30°轉(zhuǎn)換為向前水平上仰60°，如圖1所示，轉(zhuǎn)換后，試驗座椅垂向仍然與沖擊方向保持30°。同時，在座椅試驗件上配置2個0.94 kg的救生衣配重塊和2個1.38 kg的雜志袋配重塊，以模擬飛機座椅的實際狀態(tài)。

圖1 垂直沖擊座椅安裝示意圖

3.1.2 合格判據(jù)

合格判據(jù)主要包括：①座椅結(jié)構(gòu)的變形符合SAE AS8049B中第3.5節(jié)的要求；②在假人骨盆和腰椎之間測得的最大壓縮載荷不超過6.67 kN；③座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好；④約束系統(tǒng)能經(jīng)受動態(tài)載荷，與所有連接點保持連接；⑤整個試驗過程骨盆約束帶保持在假人的骨盆上；⑥結(jié)構(gòu)永久變形不致顯著地妨礙乘員應急撤離。

3.2 水平?jīng)_擊試驗

3.2.1 試驗規(guī)劃

水平?jīng)_擊試驗使用雙人旅客座椅安裝2個假人進行，座椅沿沖擊方向左偏10°安裝。沖擊前，通過地板變形工裝實現(xiàn)右椅腿下俯10°，左椅腿逆時針滾轉(zhuǎn)10°，地板變形工裝如圖2、圖3所示，并配置2個0.94 kg的救生衣配重塊、2個1.38 kg的雜志袋配重塊和2個9.3 kg的行李箱配重塊。

圖2 滾轉(zhuǎn)變形工裝示意

圖3 俯仰變形工裝示意

3.2.2 合格判據(jù)

除不需測量假人骨盆和腰椎之間載荷外，水平?jīng)_擊試驗的合格判據(jù)與垂直沖擊試驗相同。

3.3 地板變形試驗

3.3.1 試驗規(guī)劃

地板變形試驗使用單人旅客座椅安裝1個假人進行，椅腿變形程序及使用工裝與水平?jīng)_擊試驗相同，選用配重塊與水平?jīng)_擊試驗相同，配重塊數(shù)量均為1。

3.3.2 合格判據(jù)

合格判據(jù)為：座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好。

3.4 HIC試驗

3.4.1 試驗規(guī)劃

HIC試驗主要參數(shù)與水平?jīng)_擊試驗相同，但不需要模擬地板變形和配重，采用前后2排雙人座椅，座椅排距按該型飛機艙內(nèi)布置要求為32 in固定排距。

C區(qū)HIC試驗時，座椅安裝無須偏航，后排座椅左側(cè)安裝1個假人，采集假人頭部撞擊前排座椅靠背中部的HIC值。

AB區(qū)HIC試驗時，座椅右偏航10°安裝，后排座椅安裝2個假人，采集假人頭部撞擊前排座椅靠背左側(cè)和右側(cè)的HIC值。參考AC25.562-1B，AB區(qū)HIC試驗的前排座椅進行了改裝，將右座靠背結(jié)構(gòu)進行了對稱，以保證在右偏航10°的情況下，后排安裝2個假人撞擊1次即可獲得假人頭部撞擊靠背左側(cè)和右側(cè)的2個HIC值。

3.4.2 合格判據(jù)

HIC試驗合格判據(jù)為：座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好的情況下，采集到的HIC值不大于1 000。

3.5 試驗加載要求

根據(jù)上述分析，最終在座椅動態(tài)試驗大綱中確定并得到局方批準的試驗加載要求如表3所示。

表3 試驗加載要求

4 試驗結(jié)果及分析評定

4.1 垂直沖擊試驗

垂直沖擊試驗后座椅及假人狀態(tài)如圖4所示，實測加載曲線如圖5所示。

圖4 垂直沖擊試驗圖

圖5 垂直沖擊試驗臺車運動參數(shù)

實測的主要數(shù)據(jù)如下：加速度峰值為15.080g，加速度峰值上升時間為0.057 s，速率變化最大值為10.122 m/s，左側(cè)假人腰椎力峰值為3.003 kN，右側(cè)假人腰椎力峰值為4.817 kN。

垂直沖擊試驗后檢查結(jié)果：座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好。乘員約束系統(tǒng)能經(jīng)受動態(tài)載荷，與所有連接點保持連接。整個試驗過程骨盆約束帶保持在假人的骨盆上。

經(jīng)分析，垂直沖擊試驗結(jié)果滿足各項合格判據(jù)要求。

4.2 水平?jīng)_擊試驗

水平?jīng)_擊試驗后座椅及假人狀態(tài)如圖6所示，實測加載曲線如圖7所示。

實測的主要數(shù)據(jù)如下：加速度峰值為21.491g，加速度峰值上升時間為0.056 s，速率變化最大值為13.630 m/s。

水平?jīng)_擊試驗后檢查結(jié)果：座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好。乘員約束系統(tǒng)能經(jīng)受動態(tài)載荷，與所有連接點保持連接。整個試驗過程骨盆約束帶保持在假人的骨盆上。

經(jīng)分析，水平?jīng)_擊試驗結(jié)果滿足各項合格判據(jù)要求。

圖6 水平?jīng)_擊試驗圖

圖7 水平?jīng)_擊試驗臺車運動參數(shù)

4.3 地板變形試驗

在椅腿施加俯仰和滾轉(zhuǎn)變形后，座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好，座椅結(jié)構(gòu)無損傷，符合合格判據(jù)要求。

4.4 HIC試驗

HIC試驗后座椅及假人的狀態(tài)如圖8、圖9所示。

C區(qū)HIC試驗實測的主要數(shù)據(jù)如下：加速度峰值為21.541g，加速度峰值上升時間為0.057 s，速率變化最大值為13.404 m/s，假人頭部HIC值為873.36。

AB區(qū)HIC試驗實測的主要數(shù)據(jù)如下：加速度峰值為21.443g，加速度峰值上升時間為0.057 s，速率變化最大值為13.394 m/s，左側(cè)假人頭部HIC值為749.56，右側(cè)假人頭部HIC值為552.58。

HIC試驗后檢查結(jié)果：2排座椅結(jié)構(gòu)與所有連接點保持連接，主要載荷傳遞路徑保持完好。

經(jīng)分析，HIC試驗結(jié)果滿足各項合格判據(jù)要求。

圖8 C區(qū)HIC試驗圖

圖9 AB區(qū)HIC試驗圖

5 結(jié)論

通過對相關(guān)適航規(guī)章條款的解讀、分析，確定了座椅動態(tài)試驗構(gòu)型及工況，完成了5種狀態(tài)的試驗驗證，并對試驗結(jié)果進行了分析，得到以下結(jié)論。

1)提出了一種針對通勤類飛機座椅滿足相關(guān)適航規(guī)章動態(tài)性能要求的符合性驗證方法，結(jié)合型號實際規(guī)劃了一套驗證試驗方案。

2)通過基于加速型水平?jīng)_擊滑車的座椅動態(tài)沖擊試驗及其結(jié)果分析，表明該型機旅客座椅滿足CS23.562對座椅的動態(tài)性能要求。

3)國內(nèi)首次對通勤類飛機旅客座椅進行動態(tài)性能適航驗證，并通過了審查，該驗證思路可作為不同結(jié)構(gòu)形式座椅動態(tài)性能適航驗證的參考。

以上成果均成功應用于國產(chǎn)某型通勤類飛機取得EASA型號合格證項目中，為型號取證奠定了良好的基礎(chǔ)，該型飛機也即將成為第一個取得歐洲型號合格證的國產(chǎn)民用飛機。