戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸緩沖過(guò)程仿真模型研究

付新華，汪 君，陳 勇，陳雪陽(yáng)

(1.空降兵訓(xùn)練基地，廣西 桂林 541003；2.中航工業(yè) 航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003)

戰(zhàn)車(chē)載人空投是各國(guó)空降兵裝備重要的發(fā)展方向，它解決了人和裝備快速結(jié)合的問(wèn)題。這種傘兵全副武裝坐在戰(zhàn)車(chē)內(nèi)，人和車(chē)一塊從空中投下的高難空降技術(shù)，既節(jié)省了作戰(zhàn)人員在空降后尋找自己車(chē)輛的寶貴時(shí)間，同時(shí)也增強(qiáng)了空降人員在傘降階段的裝甲保護(hù)，對(duì)提高空降兵部隊(duì)的戰(zhàn)斗力具有重要意義。目前，只有俄羅斯實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)車(chē)載人空投。要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)車(chē)載人空投，著陸緩沖適應(yīng)性是必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投主要采用兩種方式進(jìn)行緩沖：一種是火箭緩沖方式，在BMD-2傘兵戰(zhàn)車(chē)上曾使用過(guò)；另一種是氣囊緩沖方式，BMD-3傘兵戰(zhàn)車(chē)和BMD-4傘兵戰(zhàn)車(chē)均正在使用。由于火箭緩沖方式存在成本高、設(shè)備復(fù)雜、保管維修困難等問(wèn)題，而氣囊緩沖裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、緩沖效果好、成本低等特點(diǎn)，所以目前俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投主要采用氣囊緩沖方式。國(guó)內(nèi)外在氣囊緩沖研究中建立了很多特性仿真模型，主要分為熱力學(xué)方法[1]和有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)[2-3]兩大類(lèi)，但對(duì)戰(zhàn)車(chē)載人空投研究相對(duì)較少。柯鵬等[4]引入多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)載人空投的降落傘系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與仿真，分析了艙體運(yùn)動(dòng)軌跡、速度等特性。譚軍等[5]設(shè)計(jì)出一種可對(duì)載人空投過(guò)程中乘員人體進(jìn)行防護(hù)的緩沖氣囊座椅，并采用MADYMO軟件對(duì)緩沖氣囊座椅進(jìn)行了數(shù)值仿真。劉鑫等[6]基于氣囊緩沖原理設(shè)計(jì)一種全新的氣囊緩沖座椅和仿生氣囊護(hù)頸，并運(yùn)用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)氣囊裝置的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸緩沖適應(yīng)性問(wèn)題，基于我空降兵現(xiàn)有裝備，同時(shí)借鑒俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投和我國(guó)載人航天的成功經(jīng)驗(yàn)，以某型傘兵戰(zhàn)車(chē)為基礎(chǔ)，加裝俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投采用的“卡茲別克”空投座椅，使用美國(guó)LSTC公司開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證過(guò)的Hybrid Ⅲ假人有限元模型，以某型空投系統(tǒng)氣囊緩沖為緩沖方式，基于ANSYS系列軟件采用數(shù)值仿真技術(shù)建立戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸緩沖過(guò)程仿真模型，對(duì)戰(zhàn)車(chē)載人空投系統(tǒng)空投著陸緩沖過(guò)程中的車(chē)體-人的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算和仿真，全面定量分析空投系統(tǒng)緩沖特性和艙內(nèi)乘員反應(yīng)，為戰(zhàn)車(chē)載人空投系統(tǒng)的論證、研制、后續(xù)改進(jìn)和作戰(zhàn)使用等提供理論依據(jù)和仿真試驗(yàn)支持。

1 有限元模型的建立

1.1 車(chē)體建模

為提高仿真計(jì)算效率，建立車(chē)體有限元模型時(shí)，在保證計(jì)算精度的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，省略非承載件，去除細(xì)小結(jié)構(gòu)特征，對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行圓整光滑處理，一些質(zhì)量較大但不承載的部件以質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行配置[7]，如炮塔、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)裝置等。傘兵戰(zhàn)車(chē)車(chē)體裝甲板較薄，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，部分實(shí)體結(jié)構(gòu)如炮塔座圈、立柱、支座等采用體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。車(chē)體材料本構(gòu)模型采用Johnson-Cook模型[8]，損傷開(kāi)始時(shí)的塑性應(yīng)變?chǔ)臘取值為3.81×10-4，材料斷裂時(shí)的塑性應(yīng)變?chǔ)臨取值為8.34×10-2，材料斷裂時(shí)的損傷值DR取值為0.304 4。建立的車(chē)體三維幾何模型及有限元模型，如圖1所示。整個(gè)車(chē)體模型由98 643個(gè)單元和105 509個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

圖1 車(chē)體三維模型及有限元模型

1.2 緩沖氣囊系統(tǒng)建模

1.2.1 氣囊系統(tǒng)有限元模型

緩沖氣囊系統(tǒng)由8個(gè)獨(dú)立氣囊和底板組成。由于只對(duì)著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行研究，空降前氣囊的折疊與空降過(guò)程中氣囊的展開(kāi)不予考慮，故氣囊模型為展開(kāi)后的狀態(tài)。氣囊采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。基于理想氣體均勻壓力模型，采用控制體積法建立緩沖氣囊模型。氣囊在著陸緩沖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的壓縮變形。氣囊自接觸模型，氣囊與地面、車(chē)體以及底板的接觸模型，均采用罰函數(shù)法進(jìn)行求解。氣囊系統(tǒng)三維模型及有限元模型，如圖2所示。

圖2 氣囊系統(tǒng)三維模型及有限元模型

1.2.2 氣囊的控制方程[9]

建立氣囊緩沖系統(tǒng)模型采用以下假設(shè)：①囊內(nèi)氣體是理想氣體；②忽略系統(tǒng)著陸過(guò)程中的氣動(dòng)阻力；③囊內(nèi)空氣均從排氣孔排出；④氣囊內(nèi)部氣壓是均勻的；⑤認(rèn)為緩沖過(guò)程為絕熱過(guò)程。于是可以得到

(1)

式中：P為氣囊內(nèi)氣體壓力；P0為氣囊內(nèi)氣體的初始?jí)簭?qiáng)；m為氣囊內(nèi)氣體的質(zhì)量；m0為氣囊內(nèi)氣體的初始質(zhì)量；V為氣囊內(nèi)氣體體積；V0為氣囊內(nèi)氣體的初始體積。

氣囊的控制體積模型將氣囊看成是不斷變化的控制體積。在有限元計(jì)算中，氣囊內(nèi)氣體體積可以通過(guò)式(2)計(jì)算

(2)

氣囊內(nèi)氣體質(zhì)量變化率是由進(jìn)入和排出氣囊的氣體質(zhì)量流量決定的。

(3)

在實(shí)際中，緩沖氣囊在著陸之前已完全充滿，其充氣過(guò)程不影響著陸緩沖過(guò)程，因此僅需考慮排出氣囊的氣體質(zhì)量流量。排出氣囊的氣體質(zhì)量流量可通過(guò)式(4)計(jì)算

(4)

式中：K為流量系數(shù)；A為排氣孔面積；R為氣體常數(shù)；T為氣囊內(nèi)氣體的溫度；Pe為大氣環(huán)境壓強(qiáng)；γ為空氣的絕熱指數(shù)，取值為1.4。

在計(jì)算中每一步首先基于給定的熱力學(xué)氣囊模型計(jì)算出氣囊內(nèi)部的氣體壓力，然后將氣囊內(nèi)部壓力作為載荷施加到氣囊上來(lái)求解氣囊下一步的形狀。

1.3 乘員人體建模

根據(jù)戰(zhàn)車(chē)載人空投實(shí)際，乘員人體采用美國(guó)LSTC公司開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證過(guò)的Hybrid Ⅲ軀干假人有限元模型。該組假人模型經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，包括剛體假人和黏彈性體假人，被廣泛應(yīng)用于乘員防護(hù)問(wèn)題的研究。選擇Hybrid Ⅲ中的50分位男性假人模型，假人載荷物理特性參數(shù)如表1所示[10]，該假人模型身體各部位由黏彈性體部件組成，可以更好的模擬戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸沖擊過(guò)程中人體各部位的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。參考人體關(guān)節(jié)角度調(diào)節(jié)范圍表，調(diào)整Hybrid Ⅲ假人姿勢(shì)，使各肢體關(guān)節(jié)的角度滿足人體舒適性和空投座椅總體尺寸要求。

表1 假人載荷物理特性參數(shù)

1.4 空投座椅及安全保護(hù)設(shè)施建模

借鑒俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投成功經(jīng)驗(yàn)，為保護(hù)車(chē)內(nèi)乘員，戰(zhàn)車(chē)內(nèi)需加裝空投座椅，它與載人飛船上使用的宇航員座椅相似，乘員呈仰臥狀，座椅頭部有減震器?？胀吨戇^(guò)程中，乘員用腰部安全帶加雙肩帶固定，并戴有安全頭盔。俄羅斯戰(zhàn)車(chē)載人空投采用的“卡茲別克”空投座椅，如圖3所示。乘員安全保護(hù)設(shè)施包括頭盔、頭罩內(nèi)部和椅盆內(nèi)部的緩沖泡沫、“五點(diǎn)式”安全帶及左、右護(hù)膝等。為減少計(jì)算量，在保證模型精度的前提下對(duì)空投座椅及安全保護(hù)設(shè)施模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化。將調(diào)整好姿態(tài)的Hybrid Ⅲ假人模型加載到空投座椅中，裝配成人體-空投座椅有限元模型，如圖4所示。

圖3 “卡茲別克”空投座椅

圖4 人體-空投座椅有限元模型

1.5 戰(zhàn)車(chē)載人空投有限元模型

基于建立的車(chē)體有限元模型、氣囊系統(tǒng)有限元模型、人體有限元模型、空投座椅有限元模型以及安全保護(hù)設(shè)施有限元模型等進(jìn)行模型裝配，形成戰(zhàn)車(chē)載人空投系統(tǒng)有限元模型，如圖5所示。

圖5 戰(zhàn)車(chē)載人空投有限元模型

2 有限元模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

以某型戰(zhàn)車(chē)氣囊緩沖系統(tǒng)實(shí)際空投對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)情況如圖6所示。對(duì)鋼車(chē)配重使之達(dá)到Xt，將過(guò)載傳感器裝在鋼車(chē)下底板的前后軸線中心。按照空投狀態(tài)將緩沖氣囊系統(tǒng)與鋼車(chē)相應(yīng)接口連接，利用自由落體公式(h=V2/2g)換算8 m/s落速條件下對(duì)應(yīng)的沖程。所有準(zhǔn)備工作完畢后，利用25 t吊車(chē)將鋼車(chē)提升至預(yù)定沖程，通過(guò)控制脫離裝置釋放鋼車(chē)，鋼車(chē)在重力作用下自由下落至地面完成一次沖擊。對(duì)氣囊的3個(gè)工作狀態(tài)按8 m/s進(jìn)行沖擊。利用普通攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)全過(guò)程。高速攝像機(jī)拍攝動(dòng)態(tài)試驗(yàn)圖片，并從圖片中判讀鋼車(chē)標(biāo)記點(diǎn)的位移曲線。測(cè)試過(guò)程中，利用多路按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光電測(cè)同步測(cè)試。測(cè)點(diǎn)過(guò)載峰值和反彈位移仿真值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表2所示。加速度、位移對(duì)比曲線如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)情況

表2 過(guò)載峰值和反彈位移對(duì)比

圖7 加速度曲線和位移曲線對(duì)比

從結(jié)果表及曲線圖可以看出，過(guò)載仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差較小，過(guò)載曲線雖不完全重合，但變化趨勢(shì)相同。過(guò)載曲線不完全重合的主要原因是過(guò)載傳感器測(cè)量過(guò)程中存在信號(hào)雜波導(dǎo)致過(guò)載曲線有較大波動(dòng)。反彈位移仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差稍大一些，主要原因在于試驗(yàn)中通過(guò)判讀圖片的方式來(lái)確定位移本身就存在誤差。去掉位移基點(diǎn)不同造成的位移偏移后，兩者位移曲線吻合度較高。綜上分析，建立的著陸緩沖模型是可行的，具有較高的可信度，可用于戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸緩沖過(guò)程仿真分析。

3 人體損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 頭部損傷評(píng)價(jià)

著陸沖擊下的頭部傷害屬于閉合性腦損傷，主要有頭骨骨折和腦損傷(腦震蕩和腦挫裂傷)等。采用國(guó)際上最為廣泛使用的頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)HIC進(jìn)行評(píng)價(jià)。HIC是由在某段時(shí)間內(nèi)，頭部質(zhì)心合成加速度的積分獲得，其定義如下

(5)

式中：T0為碰撞起始時(shí)刻；TE為碰撞終止時(shí)刻；α(t)為T(mén)0≤t≤TE碰撞過(guò)程中頭部質(zhì)心合成加速度，g；t1，t2為使HIC達(dá)到最大值的起始、終止時(shí)刻，ms。對(duì)t1，t2的確定有不同的方法，美國(guó)FMVSS先后采用了HIC36≤1 000和HIC15≤700進(jìn)行人體傷害評(píng)價(jià)。由于戰(zhàn)車(chē)空投著陸中頭部沒(méi)有和艙內(nèi)尖銳部件發(fā)生強(qiáng)烈撞擊，故采用HIC36≤1 000評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 頸部損傷評(píng)價(jià)

因頸部損傷準(zhǔn)則NIC主要采用加速度信號(hào)，較易受碰撞中非頸部向后運(yùn)動(dòng)信息的干擾，Nij準(zhǔn)則在低速尾撞中不適合使用，根據(jù)戰(zhàn)車(chē)載人空投實(shí)際，采用Schmitt等提出的NKM對(duì)頸部損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)。NKM是上頸部剪切力和彎矩的線性和。根據(jù)剪切力和彎矩的不同方向，NKM分成4個(gè)部分，如表3所示，最終的頸部損傷NKM是根據(jù)這4個(gè)值中最大值來(lái)確定。NKM的主要優(yōu)點(diǎn)是直接和力矩相關(guān)，可以直接從碰撞數(shù)據(jù)中獲得，對(duì)頸部發(fā)生S形損傷能夠較好的預(yù)測(cè)。FMVSS規(guī)范中要求NKM不應(yīng)超過(guò)1.4。

表3 NKM的組成部分

NKM計(jì)算公式為

Fint=845 N

Myoc>0?Mint=88.1 N·m

Myoc<0?Mint=47.5 N·m

(6)

式中，Myoc為彎矩。

3.3 胸部損傷評(píng)價(jià)

根據(jù)戰(zhàn)車(chē)載人空投實(shí)際，胸部損傷評(píng)價(jià)采用胸部傷度指數(shù)CSI、胸部壓縮量和胸部加速度峰值準(zhǔn)則。

(1)胸部傷度指數(shù)CSI

(7)

式中：ac(t)為胸部合成加速度，g；t為撞擊胸部的作用時(shí)間；CSI不應(yīng)超過(guò)700。

(2)胸部壓縮量和胸部加速度峰值準(zhǔn)則。在著陸沖擊過(guò)程中，假人胸部壓縮量(軀干和肋骨的最大壓縮量，用來(lái)表明胸部的骨折情況)最大值和胸部加速度峰值(Clip3m)都不得大于法規(guī)規(guī)定的極限值。利用胸骨后部的胸部電位測(cè)量計(jì)，可以獲得假人的胸部壓縮量。利用上胸部的三軸加速度計(jì)可以測(cè)量胸部承受的峰值加速度。考慮胸部壓縮量和加速度過(guò)載，3 ms的沖擊作用下，假人胸部壓縮量應(yīng)不超過(guò)76 mm，加速度過(guò)載不超過(guò)60g。

4 乘員損傷計(jì)算與分析

4.1 不同垂直著陸速度時(shí)

戰(zhàn)車(chē)在平原地區(qū)(海拔為0)以水平姿態(tài)在水平地面以不同垂直著陸速度(橫向縱向著陸速度均為0)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表4所示。

表4 不同垂直著陸速度時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)垂直著陸速度越小，戰(zhàn)車(chē)沖擊過(guò)載越小，反彈越小，著陸過(guò)程越平緩，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值越小。

(2)氣囊緩沖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傘兵戰(zhàn)車(chē)載人空投垂直著陸速度小于9 m/s時(shí)的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均較小，頭部損傷HIC36<190，胸部損傷CSI<66，胸部損傷連續(xù)3 ms Clip3m<18.42g，胸部壓縮量小于4.4 mm，頸部損傷NKM<0.47，各數(shù)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

(3)垂直著陸速度為10 m/s時(shí)，頭部損傷HIC36為410.1，小于耐受限值1 000，胸部損傷CSI為550.7，小于耐受限值700，胸部壓縮量為14.37 mm，小于耐受限值76 mm，但Clip3m為88.04g，大于耐受限值60g，頸部損傷NKM為2.17，大于耐受限值1.4，說(shuō)明垂直著陸速度超過(guò)安全門(mén)限時(shí)，乘員的胸部和頸部首先受到傷害。

4.2 不同水平著陸速度時(shí)

戰(zhàn)車(chē)在平原地區(qū)以水平姿態(tài)在水平地面以不同水平著陸速度(垂直著陸速度8 m/s)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表5所示。實(shí)際空投著陸時(shí)，戰(zhàn)車(chē)因地錨的作用一般只會(huì)產(chǎn)生水平縱向向前和橫向速度，故只針對(duì)水平縱向向前和橫向速度變化情況進(jìn)行仿真。

表5 不同水平著陸速度時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)氣囊緩沖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傘兵戰(zhàn)車(chē)載人空投縱向水平著陸速度小于8 m/s，橫向水平著陸速度小于6 m/s時(shí)的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均較小，頭部損傷HIC36<181，胸部損傷CSI<52，胸部損傷連續(xù)3 ms Clip3m<20g，胸部壓縮量小于6 mm，頸部損傷NKM<0.41，各數(shù)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

(2)水平著陸速度越小，戰(zhàn)車(chē)沖擊過(guò)載越小，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值相對(duì)也越小。一旦水平速度超過(guò)上述安全界限，戰(zhàn)車(chē)會(huì)側(cè)滑沖上地面，造成沖擊過(guò)載迅速增加，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值也會(huì)迅速增加。

(3)頭部質(zhì)心合成加速度曲線、胸部承受加速度曲線、胸部壓縮量變化曲線、頸部X方向受力曲線、頸部受彎曲力矩曲線分別如圖8～圖12所示。戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸過(guò)程中，隨著戰(zhàn)車(chē)對(duì)氣囊的壓縮，氣囊對(duì)戰(zhàn)車(chē)作用力迅速增大，戰(zhàn)車(chē)沖擊加速度增大，假人頭部質(zhì)心合成加速度、胸部承受加速度、胸部壓縮量、頸部受彎曲力矩以及X方向受力均迅速增大，在戰(zhàn)車(chē)觸地碰撞(戰(zhàn)車(chē)底部距離地面最近)時(shí)各傷害指標(biāo)值達(dá)到最大值，隨后迅速減小，傷害指標(biāo)曲線出現(xiàn)阻尼振蕩，頻率約100 Hz，直至著陸過(guò)程結(jié)束。水平著陸速度較大時(shí)，戰(zhàn)車(chē)因反彈會(huì)發(fā)生較明顯二次觸地碰撞，各傷害指標(biāo)曲線會(huì)出現(xiàn)第二次峰值，并且因此時(shí)氣囊內(nèi)空氣基本排空，不能對(duì)戰(zhàn)車(chē)實(shí)現(xiàn)有效緩沖，假人二次碰撞傷害指標(biāo)曲線峰值處會(huì)變得較為尖銳。

圖8 不同水平著陸速度時(shí)頭部質(zhì)心合成加速度曲線

圖9 不同水平著陸速度時(shí)胸部承受加速度變化曲線

圖10 不同水平著陸速度時(shí)胸部壓縮量變化曲線

圖11 不同水平著陸速度時(shí)頸部X方向受力曲線

圖12 不同水平著陸速度時(shí)頸部受彎曲力矩曲線

4.3 不同海拔地區(qū)著陸時(shí)

戰(zhàn)車(chē)以水平姿態(tài)在不同海拔地區(qū)水平地面以垂直著陸速度8 m/s(橫向縱向著陸速度均為0)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表6所示。

表6 不同海拔地區(qū)著陸時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)著陸場(chǎng)海拔越高，戰(zhàn)車(chē)沖擊過(guò)載越大，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值越大。

(2)氣囊緩沖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傘兵戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸場(chǎng)海拔3 000 m以下地區(qū)的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均較小，各數(shù)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

(3)著陸場(chǎng)海拔為3 000 m時(shí)，頭部損傷HIC36為228.2，小于耐受限值1 000，胸部損傷CSI為384.3，小于耐受限值700，胸部壓縮量為15.66 mm，小于耐受限值76 mm，但Clip3m為71.43g，大于耐受限值60g，頸部損傷NKM為1.52，大于耐受限值1.4，說(shuō)明著陸場(chǎng)海拔超過(guò)安全門(mén)限時(shí)，乘員的胸部和頸部首先受到傷害。

4.4 X方向地面傾斜5°時(shí)

戰(zhàn)車(chē)空投時(shí)，通常會(huì)選擇地勢(shì)平坦區(qū)域作為空降場(chǎng)，一般要求著陸地面的傾斜度不得大于5°。戰(zhàn)車(chē)在平原地區(qū)以水平姿態(tài)在X方向正向傾斜5°地面(上坡面)以不同水平著陸速度(垂直著陸速度8 m/s)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表7所示。

表7 X方向地面傾斜5°時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)與不傾斜相比，地面X方向有正向傾斜時(shí)，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均明顯增大，主要原因在于地面X方向傾斜造成戰(zhàn)車(chē)縱向存在明顯的沖擊過(guò)載。

(2)地面X方向有正向傾斜時(shí)，縱向水平速度安全區(qū)間值迅速減小，并且隨著速度值增加，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均迅速增大；橫向水平速度安全區(qū)間變化不大，但各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均明顯增大。

(3)地面X方向正向傾斜5°情況下，垂直著陸速度為8 m/s、縱向水平向前著陸速度為2 m/s時(shí)，頭部損傷HIC36為265.9，小于耐受限值 1 000，胸部損傷CSI為319.8，小于耐受限值700，胸部壓縮量為12.12 mm，小于耐受限值76 mm，頸部損傷NKM為1.199，小于耐受限值1.4，但Clip3m為66.84g，大于耐受限值60g，說(shuō)明地面X方向正向傾斜5°情況下，若縱向水平向前著陸速度超過(guò)安全門(mén)限時(shí)，乘員的胸部首先受到傷害。

4.5 Y方向地面傾斜5°時(shí)

戰(zhàn)車(chē)以水平姿態(tài)在平原地區(qū)Y方向正向傾斜5°地面(順時(shí)針傾斜)以不同水平著陸速度(垂直著陸速度8 m/s)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表8所示。

表8 Y方向地面傾斜5°時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)與不傾斜相比，地面Y方向有傾斜時(shí)，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均增大，主要原因在于地面Y方向傾斜造成戰(zhàn)車(chē)橫向存在明顯的沖擊過(guò)載。

(2)地面Y方向有傾斜時(shí)，縱向、橫向水平速度安全區(qū)間變化均不大，隨著速度值增加，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均增大；橫向水平速度向左時(shí)，與水平速度向右相比，各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均偏大，主要原因在于地面Y方向正向傾斜對(duì)水平向左速度有明顯阻擋作用，使沖擊過(guò)載增大。

(3)地面Y方向正向傾斜5°情況下，氣囊緩沖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傘兵戰(zhàn)車(chē)載人空投縱向水平向前著陸速度小于6 m/s，橫向水平速度小于6 m/s時(shí)的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均較小，頭部損傷HIC36<207，胸部損傷CSI<230，胸部損傷連續(xù)3 ms Clip3m<41g，胸部壓縮量小于21 mm，頸部損傷NKM<0.92，各數(shù)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

(4)對(duì)于同樣氣囊緩沖系統(tǒng)，地面平坦時(shí)的緩沖效果優(yōu)于地面起伏不平時(shí)的緩沖效果，并且在地面起伏區(qū)域可適應(yīng)的水平速度區(qū)間相對(duì)于地面平坦區(qū)域會(huì)大幅降低。

4.6 不同著陸姿態(tài)時(shí)

因風(fēng)等環(huán)境因素影響，戰(zhàn)車(chē)著陸時(shí)姿態(tài)不一定成水平狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，戰(zhàn)車(chē)著陸姿態(tài)服從正態(tài)分布，縱向姿態(tài)角通常小于3°，橫向姿態(tài)角通常小于2°。戰(zhàn)車(chē)以不同姿態(tài)在平原地區(qū)水平地面以垂直著陸速度8 m/s(水平著陸速度0)載人空投著陸時(shí)，對(duì)應(yīng)的乘員損傷評(píng)估值如表9所示。

表9 不同著陸姿態(tài)時(shí)乘員損傷評(píng)估

(1)與無(wú)傾斜相比，戰(zhàn)車(chē)縱向抬頭傾斜著陸時(shí)，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均有所增加，主要原因在于戰(zhàn)車(chē)后面先觸地著陸，戰(zhàn)車(chē)前面會(huì)繞后面旋轉(zhuǎn)著陸，使戰(zhàn)車(chē)前面沖擊過(guò)載增大。若戰(zhàn)車(chē)同時(shí)具有水平向前速度，隨著速度值增加，各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均有所增大。

(2)與無(wú)傾斜相比，戰(zhàn)車(chē)縱向俯沖傾斜著陸時(shí)，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均增大，主要原因在于戰(zhàn)車(chē)前面俯沖著陸，戰(zhàn)車(chē)縱向產(chǎn)生明顯沖擊過(guò)載。若戰(zhàn)車(chē)同時(shí)具有水平向前速度，隨著速度值增加，各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均增大。與抬頭傾斜著陸相比，戰(zhàn)車(chē)俯沖傾斜著陸時(shí)，各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均要偏大許多。

(3)與無(wú)傾斜相比，戰(zhàn)車(chē)橫向傾斜著陸時(shí)，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均變化不大。若戰(zhàn)車(chē)同時(shí)具有水平橫向速度，隨著速度值增加，各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均有所增大，但增加趨勢(shì)平緩。

(4)戰(zhàn)車(chē)以正常姿態(tài)著陸，氣囊緩沖系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)傘兵戰(zhàn)車(chē)載人空投的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

5 結(jié) 論

基于建立的戰(zhàn)車(chē)載人空投有限元模型，對(duì)典型空投條件下的戰(zhàn)車(chē)載人空投著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，包括不同垂直著陸速度、不同水平著陸速度、不同著陸場(chǎng)海拔高度、不同著陸地面傾斜角度、不同戰(zhàn)車(chē)著陸姿態(tài)等情況，分析假人在著陸沖擊下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，根據(jù)人體損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)乘員安全性進(jìn)行評(píng)估。得到以下結(jié)論：

(1)基于某型傘兵戰(zhàn)車(chē)加裝空投座椅，使用某型氣囊緩沖系統(tǒng)進(jìn)行載人空投是可行的。

(2)氣囊緩沖系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)車(chē)載人空投在著陸場(chǎng)海拔3 000 m以下地區(qū)、垂直著陸速度小于9 m/s、縱向水平著陸速度小于8 m/s、橫向水平著陸速度小于6 m/s情況下的有效緩沖，乘員頭部、胸部和頸部各項(xiàng)傷害指標(biāo)值均小于人體耐受限值，載人空投是安全的。

(3)戰(zhàn)車(chē)有姿態(tài)角、著陸地面有傾斜情況下，戰(zhàn)車(chē)載人空投速度安全區(qū)間會(huì)減小，乘員各項(xiàng)傷害指標(biāo)值也會(huì)有所增加，但載人空投仍是安全的。