提高直升機(jī)機(jī)組座椅抗墜毀性能探討

何斌意

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003）

1 概述

我們知道直升機(jī)乘員救生是通過(guò)抗墜毀設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)直升機(jī)起落架、機(jī)身以及座椅的沖程變形來(lái)吸收直升機(jī)的墜毀能量，使乘員免受損傷，這方面成功的案例已不乏其數(shù)。目前國(guó)際上對(duì)座椅的抗墜毀要求主要分為兩類，一類是軍用產(chǎn)品，它主要遵循MIL-S-58095 標(biāo)準(zhǔn)要求；另一類是民用產(chǎn)品，主要滿足FAR27/29 部適航要求。對(duì)于新研型號(hào)飛機(jī)，必須要按照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)具有抗墜毀性能的座椅，但在老型號(hào)飛機(jī)上如何采用抗墜毀座椅，以及在新研型號(hào)上采用多少生存率的抗墜毀座椅，是目前困擾設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題。要回答這些問(wèn)題，有必要對(duì)抗墜毀座椅的適墜性能進(jìn)行分析。

2 座椅抗墜毀原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)，直升機(jī)的抗墜毀原理是通過(guò)一段制動(dòng)行程，使跌落時(shí)作用在乘員身上的過(guò)載達(dá)到人體的耐受水平。這種制動(dòng)行程除去外部的地質(zhì)地貌因素外，主要是通過(guò)吸能起落架、適墜的機(jī)體結(jié)構(gòu)以及吸能座椅產(chǎn)生。理想狀態(tài)下，在確定的墜撞脈沖條件下（如圖1），機(jī)身結(jié)構(gòu)（包括起落架）和座椅是分別吸能的，其相對(duì)于剛性地面的沖程分別如下：

圖1 座椅抗墜毀原理圖

這里：am=座椅連接件附近的最大機(jī)身過(guò)載

aL=人椅系統(tǒng)最大過(guò)載

tm=達(dá)到機(jī)身最大過(guò)載的時(shí)間

K=aL/am

我們通常計(jì)算座椅吸能行程所用的公式，實(shí)際上就是座椅相對(duì)于機(jī)身的位移，即Sz-Sj?？梢钥闯?，座椅沖程的大小只與墜撞條件及所設(shè)置的吸能限制載荷大小有關(guān)，與其它因素?zé)o關(guān)。機(jī)身的吸能與座椅的吸能是兩種同時(shí)存在，但各自獨(dú)立發(fā)揮作用的兩個(gè)子系統(tǒng)。機(jī)身吸能的輸出是座椅吸能的輸入，機(jī)身結(jié)構(gòu)吸能充分與否，并不影響座椅吸能系統(tǒng)的作用。

誠(chéng)然，直升機(jī)的抗墜毀要求是要將飛機(jī)型號(hào)作為一個(gè)系統(tǒng)整體來(lái)考慮其適墜性能，理論上應(yīng)該是對(duì)所有吸能部件逐個(gè)確定其適墜性能，以組成系統(tǒng)的抗墜毀性能，但這種方式顯然是不可行的。一方面，機(jī)身結(jié)構(gòu)的吸能特性不可控，同時(shí)，在研制初期進(jìn)行機(jī)身結(jié)構(gòu)試驗(yàn)以評(píng)估系統(tǒng)抗墜毀吸能也不現(xiàn)實(shí)。另一方面，某些吸能組件在一些墜撞地形上也可能達(dá)不到預(yù)期的吸能效果，比如，起落架在水面上就吸收不了撞擊能量，那么系統(tǒng)的適墜能力就要考慮到這些情況。因此，系統(tǒng)最終的抗墜毀性能是在規(guī)定部件級(jí)適墜性能，與不考慮部件適墜指標(biāo)，單純靠整機(jī)驗(yàn)證之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。目前直升機(jī)抗墜毀的要求就是將飛機(jī)整體作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮，但同時(shí)對(duì)少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵的墜撞部件——如座椅及約束系統(tǒng)規(guī)定最低吸能要求。

3 抗墜毀座椅的作用

從吸能原理的分析可以看出，制動(dòng)行程越長(zhǎng)，那么就可以以比較小的限制載荷來(lái)吸收相同的能量，這樣作用到乘員身上的載荷就比較小，就可以為乘員提供更安全的保護(hù)。如果吸能空間有限，也就是說(shuō)制動(dòng)行程比較短的話，那么就要相應(yīng)地提高限制載荷的設(shè)置，使其既能不超過(guò)有限空間的要求，又能使乘員所受的載荷不至于超出人體生理指標(biāo)的要求。

相比飛機(jī)結(jié)構(gòu)，座椅的抗墜毀性能在這方面的適應(yīng)性是最好的，主要是因?yàn)椋?/p>

座椅跟整機(jī)相比，在控制墜撞載荷方面更方便、更有效。它可以通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的吸能裝置來(lái)控制墜撞載荷，并根據(jù)需要調(diào)整吸能裝置的限制載荷，以達(dá)到最佳吸能狀態(tài)。

座椅與機(jī)身或起落架相比更容易提供吸能沖程。從直升機(jī)地板到地面的高度一般在總體外形尺寸中就直接規(guī)定了，因此機(jī)身沖擊距離會(huì)受到總體要求的限制。

座椅的吸能能力容易得到驗(yàn)證，機(jī)身的吸能能力很難預(yù)測(cè)，而且在新型號(hào)飛機(jī)研制中，其早期設(shè)計(jì)階段一般是不做飛機(jī)墜撞試驗(yàn)的。

不規(guī)則的地形地貌（如樹、巖石等）可能會(huì)使起落架發(fā)揮不了作用，但在這種情形下，只要機(jī)身能控制住局部穿透，座椅就能發(fā)揮吸能作用。

在大多數(shù)飛機(jī)墜毀的地形（比如松軟的土壤、沼澤地或水面等），起落架就吸收不了能量，但座椅在這種場(chǎng)合完全可以發(fā)揮其作用。

基于以上原因，座椅是直升機(jī)抗墜毀過(guò)程中吸能風(fēng)險(xiǎn)最小的一種方法。

4 采用95%抗墜毀生存率的必要性

直升機(jī)墜撞事故的撞擊條件和撞擊狀態(tài)每次都不一樣，但是大致可分為三種情況：第一類是比粗暴著陸稍猛烈一些的墜撞，這類事故發(fā)生的次數(shù)比較多，但程度輕微。第二類是事故相對(duì)較少，但程度嚴(yán)重，乘員不可能存活的情況。第三類就是墜撞程度較為嚴(yán)重，但是通過(guò)為乘員提供充分的保護(hù)，可以使乘員得以存活?？箟嫐а芯烤褪轻槍?duì)這種可存活的事故，最大限度地提供防護(hù)措施，使乘員存活的概率提高。而影響乘員生存力的主要因素是墜撞條件和墜撞狀態(tài)。美國(guó)從20 世紀(jì)60 年代起，先后對(duì)陸軍、海軍、空軍及商用旋翼機(jī)的飛行事故進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)和研究工作。圖2 是陸軍、海軍和民用直升機(jī)可生存墜地和墜水沖擊速度變化量的對(duì)比?？梢钥闯鲈?5%可生存事故中，陸軍直升機(jī)的垂直速度變化量最大，可達(dá)到42 英尺/秒（12.8 米/秒）。美軍方據(jù)此頒布了MIL-STD-1290《輕型固定翼飛機(jī)和旋翼機(jī)墜撞安全性》以及直升機(jī)駕駛員座椅的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-58095。

圖2 軍民用直升機(jī)抗墜毀生存率對(duì)照?qǐng)D

我國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2681《軍用直升機(jī)抗墜毀要求》也規(guī)定，直升機(jī)在表1 的墜撞條件下，應(yīng)能為機(jī)上乘員提供保護(hù)。

表1

從以上可以看出，無(wú)論是美軍標(biāo)還是國(guó)軍標(biāo)都對(duì)直升機(jī)抗墜毀吸能做出了明確的規(guī)定，即直升機(jī)抗墜毀至少應(yīng)滿足95%的生存率要求，其垂直速度變化量不小于12.8 米/秒。

當(dāng)然，要提高抗墜毀生存率。座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能要更強(qiáng)一些，這對(duì)座椅結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)會(huì)增加一些重量。根據(jù)國(guó)外同類產(chǎn)品的重量估計(jì)，增加的重量大約在1～1.5 千克，不超過(guò)座椅重量的10%，這與乘員生存率提高10%相比顯得微不足道。

5 老型號(hào)直升機(jī)抗墜毀座椅的改裝

人們常常有這樣的疑問(wèn)，老型號(hào)直升機(jī)能裝新型抗墜毀座椅嗎？它們能承受這么大的沖擊過(guò)載嗎？的確，自從座椅動(dòng)態(tài)性能提出以來(lái)，無(wú)論是在直升機(jī)還是在固定翼飛機(jī)上都提出過(guò)類似的疑問(wèn)。對(duì)于運(yùn)輸類飛機(jī)，美國(guó)FAA 曾經(jīng)做過(guò)匹配性的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)用很老的B-707 機(jī)身段，裝了18 臺(tái)16G 座椅進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果地板導(dǎo)軌沒(méi)有損壞，證明兩者是匹配的。對(duì)于直升機(jī)，如果要在現(xiàn)有飛機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抗墜毀座椅的改裝，可能也存在接口匹配的問(wèn)題，畢竟直升機(jī)型號(hào)不像運(yùn)輸機(jī)那樣型號(hào)相對(duì)集中，不同直升機(jī)型號(hào)的接口要求不一定一樣，在沒(méi)有一一進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明兩者匹配之前，就需要對(duì)接口進(jìn)行必要的分析計(jì)算。在給定沖擊行程，可以根據(jù)（2）式計(jì)算出吸能限制載荷，驗(yàn)證是否滿足地板結(jié)構(gòu)的許用載荷要求。如果座椅傳遞給地板的載荷滿足其許用要求，則完全可以按照新研的狀態(tài)開展座椅設(shè)計(jì)工作。對(duì)于不滿足要求的情況，有兩種改進(jìn)方案，一種是按計(jì)算出的支撐載荷，對(duì)地板或框架進(jìn)行必要的加強(qiáng)改進(jìn)。當(dāng)然，這種改進(jìn)措施往往很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯婕暗降沫h(huán)節(jié)比較多，難度很大。這時(shí)可以采取另一種辦法，就是改變座椅的設(shè)計(jì)特征，使其能夠限制傳遞到飛機(jī)上的載荷，它可以通過(guò)控制座椅結(jié)構(gòu)的變形來(lái)達(dá)到。美國(guó)SH-3 和CH-53 直升機(jī)的機(jī)組座椅已經(jīng)采用了這種技術(shù)。在這兩種飛機(jī)機(jī)組座椅上都限制了前向、側(cè)向以及向下的載荷。前向和側(cè)向載荷的限制保護(hù)了連接結(jié)構(gòu)，而且不影響人體的耐限。向下載荷的限制根據(jù)人體的耐受情況來(lái)確定。

結(jié)束語(yǔ)

在旋翼類飛機(jī)尚不能實(shí)現(xiàn)彈射救生的情況下，提高直升機(jī)抗墜毀性能是“以人為本”設(shè)計(jì)理念的重要體現(xiàn)。當(dāng)前直升機(jī)抗墜毀座椅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系相當(dāng)完善，技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段比較豐富，國(guó)外相應(yīng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用也十分成熟，這些都對(duì)國(guó)產(chǎn)新老型號(hào)直升機(jī)抗墜毀性能的提高提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)型號(hào)的適應(yīng)性改裝，完全可以進(jìn)一步提高直升機(jī)的抗墜毀性能，從而減少飛行員墜毀傷亡的可能性。