飛機應急著陸人體損傷評價方法研究

王 玖，林 榮，陳曉峰，曠 剛，姚小虎，李志強

(1.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092；2.東莞理工學院，廣東 東莞 523808；3.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510641；4.太原理工大學 機械與運載工程學院，應用力學研究所，太原 030024)

設計合理的座椅及其約束系統(tǒng)、安裝支撐結(jié)構(gòu)是降低航空事故死亡率的有效手段。LILLEHEI et al[1]和LI et al[2]的研究結(jié)果顯示，若是飛機上的座椅與約束系統(tǒng)設計得更為科學，則能減少飛行事故中高達20%的死亡率。在適航規(guī)定及相關通告中，均對座椅及其約束系統(tǒng)的設計有明確規(guī)定。根據(jù)《正常類、實用類、科技類和通勤類飛機適航規(guī)定(CCAR-23R3)》[3]的要求，在這些飛機上為旅客、機組人員提供的座椅與約束系統(tǒng)，都需要嚴格按照規(guī)定要求開展動力試驗并通過標準要求，后者通過滿足動力試驗要求的合理分析來給予證明。AC25.562-1B[4]要求，在進行動力試驗時，座椅的所有調(diào)節(jié)控制裝置都應調(diào)到與第50百分位假人相對應的位置，以此作為座椅的試驗狀態(tài)。為了確定與第50百分位假人相對應的座椅位置，需輔以能從整體上反映人體損傷的判據(jù)。在得到可靠的人體損傷判據(jù)后，可通過飛機結(jié)構(gòu)的墜撞數(shù)值模擬方法，計算得到相對應的可接受極限墜撞速度[5]；同時也可以研究結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)重量等參數(shù)對民機結(jié)構(gòu)抗墜性能的影響，提出提高民機適墜性的設計思路與結(jié)構(gòu)抗墜優(yōu)化設計方案[6-7]。

常用的人體損傷判據(jù)大多反映了人體局部區(qū)域的損傷情況。如頭部傷害判據(jù)(head injury criterion，HIC)，主要評價頭部損傷，頸部損傷預測值Nij(Neck Injury Predictor)用于評價頸部損傷，胸腔壓縮量(Compressive Deflection)和胸部3 ms準則(Chest 3 ms Criterion)用于評價胸部損傷。Viano和Arepally(1990)[8]在研究中借助于加權(quán)因子，進而給出了加權(quán)傷害判據(jù)，簡稱為WIC.不過這個判據(jù)是利用汽車事故的人體損傷數(shù)據(jù)來分析獲取，很難應用于航空事故領域。

因此，提出適用于通用飛機的綜合人體損傷判據(jù)，對于提高飛機座椅及其約束系統(tǒng)、安裝支撐結(jié)構(gòu)或其他增強型設備的安全性、提高試驗水平具有現(xiàn)實意義。

1 飛機致命事故人員損傷分析

當前，美國通用飛機墜毀事故占比最高，達到70%～80%，相較于客運飛機而言，每10萬飛行小時的事故率高出8倍，已有多年沒有多大優(yōu)化[9]。2002年，WIEGMANN et al[10]以美國聯(lián)邦航管局(簡稱FAA)提供的通用飛機墜毀報告數(shù)據(jù)為基礎，時間跨度為1996-1999年，報告數(shù)量多達559份，通過分析得出，溺亡、燒傷致死、多發(fā)性挫傷致死的比例分別為3.6%、3.9%和86%[10]。這意味著后一種因素是導致死亡的關鍵原因。

這種致死原因主要涉及到器官損傷與骨折。在這種事故中，表1給出了當前最為常見的骨折表[9]。

由表1可見，肋骨、顱骨、面骨受損的比例依次為72.3%、55.1%和49.4%，而脛骨、骨盆受損的比例則依次為37.9%和36.0%.

表1 常見骨折比例Table 1 Percentage of common bony injuries %

最常見的器官損傷及頻率如表2所示[10]。其中心、肺、肝、脾這幾種臟腑器官出現(xiàn)撕裂損傷的幾率整體較高，對應的比例分別為35.6%、37.6%、48.1%和30.1%，此外，還涉及到腦出血損傷，比率高達33.3%.

表2 常見器官損傷比例Table 2 Percentage of common organ injuries %

以上統(tǒng)計結(jié)果表明，下肢、胸、頭等是出現(xiàn)多發(fā)性損傷頻次最高的部位，在對應急著陸人體損傷進行評價時，應包含對這3個區(qū)域的分析。

2 綜合損傷判據(jù)

2.1 損傷評價項目及性能指標

按照人體不同部位在這類事故中的損傷特點，可以將其細分成頭、胸、頸、下肢、脊椎(不含頸椎)部位，然后再對其進行相應的評價。

上文所提到的HIC，就是目前應用最為廣泛的頭部傷害判據(jù)。它由VERSACE[8]在1971年提出，并于1972年取代GSI(gadd severity index)作為FMVSS[11]頭部損傷評價指標。雖然HIC存在沒有考慮頭部角運動所引起的損傷等局限性，但目前看來，該判據(jù)在頭部損傷評價領域仍最為有效。它是基于頭部重心部位的合成加速度，并在一定時間范圍之內(nèi)通過積分來獲取，具體算式如下：

(1)

式中：時間范圍從T0至TE，后者為沖擊結(jié)束時間；a(t)對應的就是該重心部位的合成線加速度，具體是通過g(重力加速度)倍數(shù)來進行表示；HIC值達到最大時的起、止時間，分別為t1和t2.在具體運用過程中，這個時間間隔一般不會超過36 ms，而HIC36則不能大于1 000；當t1與t2的間隔不超過15 ms時，HIC15不得超過700.

飛機墜毀之時，人體遭受的損傷涉及到兩個過程，一個是硬接觸帶來的損傷，一個是減加速度帶來的損傷[12]。前一種對應的荷載具有集中性，通常是基于撞擊點而產(chǎn)生的局部性損傷；后一種則是因為人體組織應對減加速度時會產(chǎn)生損傷反映，而且損傷部位與減加速度實施區(qū)域有一定距離。雖然韋恩頭部損傷極限曲線(簡稱WSTC)同樣是以HIC為基礎，利用頭部撞擊引起的顱骨骨折提出這樣的曲線，不過HIC依然可以應用于減加速度導致的頭部損傷評價。阮世捷等[13]將腦組織應力用作頭部損傷判斷的生理學基礎，依次對比頭部在這兩種損傷條件下的HIC適應性。結(jié)果得出，在頭部損傷水平一致時，減加速度相較于硬接觸條件而言，HIC值稍大，不過兩者的差異不是十分顯著，可以被接受。當前，歐洲新車安全評價規(guī)程(EURO-NCAP)[14]就將減加速度峰值大于80倍的重力加速度，視作硬接觸。朱鮮飛[15]為了評估乘客在墜撞過程中的損傷程度，提出了以乘客傷害風險概率和損傷等級來評價乘員傷害的綜合評估方法，并通過動力學模型計算，給出了HIC、乘客傷亡率與水平?jīng)_擊速度之間的關系曲線。

倘若使用HIC來對座椅及其約束系統(tǒng)的頭部保護功能進行判定，分析是不是滿足相關規(guī)定，而不是分析導致頭部損傷的水平與概率，那么只需要對硬接觸情形進行考慮[16]。

下肢是多發(fā)性挫傷出現(xiàn)頻率較高的區(qū)域，脛骨的損傷一般使用脛骨指數(shù)Ti(Tibia Index)進行評價，其計算公式為：

(2)

CCAR-23R3中的23.562條款明確表示，頸部(Neck)需要被視作獨立評價項目，因此評價項目中的脊椎(Spine)只包含胸椎、腰椎和骶椎3部分。

使用頸部損傷預測值Nij來評價頸部損傷，其計算公式為：

(3)

式中：彎矩與軸向力分別使用My、Fz表示，它們需要借助于假人頸部上端所明確的測量模塊來獲取，在后者表現(xiàn)為拉力時，其最大值用Fz,max表示，對應值為6 806 N；若其表現(xiàn)為壓力，對應值則為6 160 N.若是枕骨骨節(jié)產(chǎn)生彎曲彎矩，即頸部向前彎曲，此時My值就可以設置為310 N·m，若對應的是伸展彎曲，則是頸部朝后彎曲，此時該值為135 N·m，用My,c表示。根據(jù)FMVSS 208的規(guī)定，無論哪個時間節(jié)點，Nij的值均不能大于1.

對于脊椎而言，當前還沒有得到普遍應用的損傷評價方法。為了防范脊椎在墜毀事故中產(chǎn)生壓縮性骨折問題，根據(jù)上文的23.562條款，可以知曉腰椎與骨盆的壓縮荷載不能大于6 680 N.

表3詳細列出了身體各部位評價項目及其性能指標。

表3 身體各部位評價項目Table 3 Assessment items of various body regions

2.2 綜合損傷判據(jù)

根據(jù)所選報告數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可知，旅客致命的損傷部位有著頗廣的分布，而且形式種類較多，其中胸、頭部損傷問題最為復雜，也是致命的主要部位，為此，有必要對這兩個部位的損傷評價生理學依據(jù)進行綜合，遴選相應的損傷種類，并將其作為統(tǒng)計項目。

頭部的損傷統(tǒng)計項目主要為面骨骨折，或者為顱骨骨折。臨床證實，顱骨骨折(Skull fracture)與腦震蕩(Cerebral concussion)之間有直接的關系[14]，面骨骨折(Facial fracture)與顱內(nèi)出血(Brain hemorrhage)、腦裂傷(Brain laceration)有直接相關性。在腦部出現(xiàn)撕脫傷(Avulsion)、裂傷(Laceration)、挫傷(Contusion)及腦干橫斷損傷(Brain stem transection)的統(tǒng)計案例中，很多都出現(xiàn)了面骨或者顱骨骨折[10]。

胸部損傷的統(tǒng)計項目包括肋骨骨折(Rib fracture)和胸骨骨折(Sternum fracture)。在墜毀事故或者應急著陸過程中，因為安全帶的約束效應，會讓人體胸部產(chǎn)生極大沖擊力，為此，肋骨骨折發(fā)生率最高，占比高達72.3%，與肋骨結(jié)合的胸骨骨折也有較高頻率，達到28.4%[10]。雖然被胸腔包裹的肝脾肺等臟腑器官，也有較高的受傷頻率，詳細可參見表2，不過根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示，這些器官的受傷與肋骨骨折關系密切(肝[χ2(N=559,1)=61.847,P<0.001]，肺[χ2(N=559,1)=44.593,P<0.001]，脾[χ2(N=559,1)=23.618,P<0.001][7]).因此，對于胸部損傷而言，完全可以將肋骨骨折作為其核心統(tǒng)計項目，它已經(jīng)對臟腑器官損傷問題進行了包括。

身體各評價部位損傷統(tǒng)計及歸一化系數(shù)如表4所示。

表4 身體各評價部位損傷統(tǒng)計Table 4 Injury statistics of evaluative body region

根據(jù)損傷統(tǒng)計歸一化系數(shù)以及不同身體部位所對應的損傷判據(jù)，構(gòu)造綜合損傷判據(jù)GIC(general injury criterion)如式(4)所示：

(4)

由此構(gòu)造的GIC，就能對人體整體受損幾率進行表示，其值越低，意味著人體遭受損傷的幾率越低。為此，通過該參數(shù)就能評價座椅與約束系統(tǒng)的防護功能，進而有助于增強防護設備的相關開發(fā)與試驗工作。

3 GIC在座椅水平動力試驗中的應用

運用GIC可以對人體受傷幾率進行評價，以下以某通用飛機為對象，借助于該參數(shù)來開展座椅水平動力試驗，從而為其試驗狀態(tài)的明確提供重要的理論支持[20-22]。值得注意的是，本文提出的GIC是基于飛機墜毀報告數(shù)據(jù)，而飛機座椅水平動力試驗雖然與飛機墜毀的工況有較大區(qū)別，但人體各器官和整體受到的損傷情況是較為相似的。另外，基于墜毀數(shù)據(jù)提出的GIC應用于應急著陸試驗中會相對保守，但可以為明確試驗中的座椅狀態(tài)提供較為可靠的依據(jù)。

首先，根據(jù)該飛機實情，構(gòu)建機艙、駕駛員座椅立體模型，然后導入假人，進一步構(gòu)建三點式約束系統(tǒng)，如圖1所示展現(xiàn)了人機系統(tǒng)的有限元模型。

圖1 某型飛機人機系統(tǒng)有限元模型Fig.1 Finite element model of dummy-plane system

根據(jù)CCAR-23R3文件中的23.562條明確的應急著陸動態(tài)要求，以及AC25.562-1B中的要求，提供仿真輸入條件。其中碰撞初速度為12.8 m/s，飛機向左偏航10°；在沖擊之后50 ms時出現(xiàn)最大的負加速度，達到26g，加速度脈沖波形如圖2所示，圖中，tr=50 ms，gmin=26g.

圖2 加速度脈沖波形Fig.2 Acceleration pulse waveform

駕駛員座椅可以前后調(diào)節(jié)，為了便于分析，由前至后的編碼分別為6#至1#.各個位置除了座椅前后位置不同外其他狀態(tài)、計算參數(shù)均相同。

運用有限元系統(tǒng)LS-DYNA開展本次的仿真分析，獲得不同位置、脊柱與骨盆的壓縮載荷等信息，具體詳細情況可參見表5.

由表5可見，各位置HIC36、安全帶載荷、骨盆和腰脊柱之間的壓縮載荷均符合CCAR-23R3第23.562條的相關規(guī)定。其中，對于HIC36來說，最大值與次大值的位置依次為3#和4#，分別達到796和730.其頭部重心合加速度曲線，如圖3所示。雖然其位置不同，對應的值也有差異，然而頭部加速度響應情況基本相似。

表5 適航規(guī)定指標仿真計算結(jié)果Table 5 Simulation results of index in airworthiness standards

圖3 頭部重心合加速度曲線Fig.3 Resultant acceleration diagram of head center of gravity

在圖4中，展示了在撞擊不同時間節(jié)點下，3#，4#位置的假人姿態(tài)變化情況，從中可以進一步發(fā)現(xiàn)，在撞擊環(huán)節(jié)，假人頭部并沒有和機艙相關部位產(chǎn)生硬碰撞，安全帶始終處于假人骨盆之上，而且肩帶也維持在肩上，因此可以符合CCAR-23所提出的要求。

圖4 受撞擊情況下不同時間節(jié)點3#、4#位置假人運動姿態(tài)Fig.4 Moving posture of dummy

為了對座椅試驗狀態(tài)進行科學性的明確，需要算出將座椅調(diào)節(jié)到不同位置，假人的GIC值，由此評價人體的嚴重受傷幾率。計算得到水平動態(tài)試驗過程中假人頭部、頸部、脊椎、胸部、下肢各部位的判據(jù)值如表6所示。

雖然根據(jù)HIC判據(jù)，3#位置對應值最大，然而，Nij值則是在4#位置達到最高。沖擊過程中3#、4#位置頸部損傷預測值曲線如圖5所示。在碰撞發(fā)生后92 ms時，Nij達到最大。對比圖3可知，此時間節(jié)點與HIC峰值出現(xiàn)時間節(jié)點基本上保持一致。

圖5 頸部損傷預測值NijFig.5 Neck injury predictor Nij

將表6中的有關數(shù)據(jù)代入到式(4)，就能獲得座椅前后位置的GIC值，具體可參見表7.

表6 假人各部位判據(jù)仿真計算結(jié)果Table 6 Simulation results of criterion of various region of dummy

表7 座椅不同位置GIC值Table 7 GIC for various seat positions

比較座椅前后滑動區(qū)間內(nèi)各位置的GIC可知，其中4#位置的值最高，達到1.71，這意味著，在此位置上，人體受到嚴重傷害的幾率最大。

根據(jù)以上計算可以得出，HIC在3#位置上對應的是極大值，意味著在此位置上，人體頭部遭受嚴重傷害的幾率最高。但是在4#位置上，人體腰椎壓縮載荷、頸、胸部位的壓縮量等，都要超過3#位置，這意味著人體整體受傷的幾率要高于3#位置。由于各位置HIC、腰椎壓縮荷載等均滿足CCAR-23R3第23.562條的要求，頸部、胸部壓縮量、胸部3 ms準則及下肢各判據(jù)均滿足低性能要求，而4#位置GIC最大，因此，使用4#位置進行駕駛員座椅的水平動力試驗。

4 結(jié)論

本文基于通用飛機墜毀事故的人體調(diào)查報告統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對致死航空事故中人體不同部位出現(xiàn)損傷的頻率和致命程度進行了分析。并通過對人體不同器官受外部沖擊的承受能力的綜合考慮，結(jié)合常用損傷判據(jù)，最終提出了以歸一化為基礎的綜合損傷判據(jù)——GIC.然后針對某輕型水陸兩棲飛機適航認證座椅動力試驗，選用了有限元軟件系統(tǒng)LS-DYNA，完成該試驗的仿真分析，利用本次開發(fā)的GIC來分析在不同座椅位置下，人體受到嚴重傷害的幾率，提出了該型號飛機合理的座椅試驗狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，隨著座椅位置的改變，HIC值和GIC值的變化趨勢并不相同。雖然HIC在座椅處于3#位置時最大，但在4#位置上GIC最大，說明人體整體受傷的幾率要大于3#位置，計算結(jié)果也顯示此時人體腰椎壓縮荷載、頸、胸部的壓縮量均比3#位置大。這也證明GIC能夠?qū)θ梭w受到嚴重傷害的幾率進行整體性評價。本文提出的人體綜合損傷判據(jù)GIC及其在飛機墜撞模擬分析中的應用方法，將對飛機的座椅、約束系統(tǒng)及防護設備的抗墜優(yōu)化設計及驗證試驗提供有力的支撐。