頭頸部防護(hù)裝置對頭頸部損傷的影響分析

劉榮，姜南

航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司航空防護(hù)救生技術(shù)航空科技重點實驗室，湖北省 襄陽441000

彈射座椅被譽(yù)為藍(lán)天上的“生命之舟”，可在危急時刻應(yīng)急離機(jī)[1]，依靠座椅下的動力裝置將飛行員彈出機(jī)艙[2]，挽救飛行員的生命。隨著飛機(jī)性能的不斷提升，受到現(xiàn)役彈射座椅工作原理和飛行員頭頸部生理結(jié)構(gòu)的制約，應(yīng)急彈射時飛行員頭頸部損傷的現(xiàn)象時有發(fā)生。尤其是在高速彈射出艙時,飛行員的頭頸部不僅受到高達(dá)16～20g的彈射載荷[3-5]，還受到彈射座椅轉(zhuǎn)矩[6]和高速氣流的吹襲。因頭頸部為骨鏈性結(jié)構(gòu)[7]，易造成飛行員頭頸部劇烈前后摔打、左右旋轉(zhuǎn)扭動，甚至導(dǎo)致死亡[8-9]，有關(guān)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，重傷死亡率可高達(dá)69%[3,10]。為解決頭頸部損傷過大的問題，美國ACES 5 彈射座椅采用了新型的被動式頭頸防護(hù)裝置，即在頭靠系統(tǒng)增加展開式防護(hù)裝置，以降低飛行員頸部受傷的風(fēng)險。頭頸部損傷問題已成為各國從事彈射救生科研工作者的研究重點之一，判斷彈射過程中飛行員頸部是否損傷及如何評估防護(hù)效果的好壞問題顯得尤為重要。

本文通過分析對比在850km/h 高速氣流吹襲下，有無頸部防護(hù)裝置情況下仿真假人頭頸部的力、力矩和頸部損傷判據(jù)值，結(jié)果證明，頭頸部防護(hù)裝置可以降低力、力矩和損傷判據(jù)值，對飛行員頭頸部有一定的防護(hù)作用。

1 頭頸部損傷合格判據(jù)

2000年前后，美國國家公路運(yùn)輸安全管理局提出了用于量化評估汽車約束系統(tǒng)的Nij頸部損傷判據(jù)[11]；2006年，美國海軍某個專門研究彈射時頭頸部潛在損傷的課題組，提出了一套頸部損傷判據(jù)；2015 年，Parr[12]提出了一種基于上頸部損傷的多軸橫向沖擊的損傷標(biāo)準(zhǔn)。我國空軍特色醫(yī)學(xué)中心于2021 年決定暫用《飛行員防護(hù)救生裝備生理衛(wèi)生學(xué)要求》規(guī)定的頸部損傷判據(jù)（Nij）、x軸的頸部力矩指數(shù)（NMIx）和z軸的頸部力矩指數(shù)（NMIz）作為我國彈射救生頸部損傷判據(jù)，來研究飛行員在彈射過程中的頸部損傷問題。

該生理衛(wèi)生學(xué)要求利用Hybrid III型仿真頸椎測試的力、力矩數(shù)值計算頸部損傷指數(shù)進(jìn)行評價，頸部損傷指數(shù)包括Nij、NMIx和NMIz。各方向解剖坐標(biāo)系如圖1所示，“+”和“-”代表方向，下文中出現(xiàn)的方向均與此圖一致。通過測試每發(fā)試驗假人上頸部的六分量數(shù)據(jù)Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，計算Nij、NMIx和NMIz判據(jù)值來判斷仿真假人頭頸部是否損傷及損傷概率。美國空軍生命周期管理中心要求滿足的彈射頸部損傷為二級損傷概率AIS2+≤5%，對應(yīng)的上頸部Nij、NMIx和NMIz耐限值均為0.5，損傷判據(jù)值小于規(guī)定的耐限值，并不能說明飛行員頭頸部完全不受損傷，只能說明飛行員受二級損傷的概率低于5%，這個概率在規(guī)定的范圍內(nèi)是可接受的[11]。

圖1 解剖坐標(biāo)系示意圖Fig.1 Anatomical coordinate system diagram

1.1 Nij判據(jù)

Nij采用力與力矩的耦合作用，頸部彎曲/延展力矩（My）的評估與頸部拉伸力/壓縮力Fz相對應(yīng)，計算公式如式（1）所示

式中:Fzcrit和Mycrit分別表示Fz和My的臨界值，具體數(shù)值見表1。上頸部Nij耐限值為0.5。

1.2 NMIx判據(jù)

頸部力矩指數(shù)NMIx用于評估側(cè)彎力矩Mx，計算公式如式（2）所示

式中，MxLIM為Mx的臨界值，具體數(shù)值見表1。上頸部的NMIx耐限值為0.5。

1.3 NMIz判據(jù)

頸部扭矩Mz用NMIz來評估，NMIz計算公式如式（3）所示

式中，MzLIM為Mz的臨界值，具體數(shù)值見表1。上頸部NMIz耐限值為0.5。

表1 損傷判據(jù)計算所涉及的臨界值Table 1 The critical values involved in injury criteria calculations

2 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

本次高速氣流吹襲試驗的吹風(fēng)速度為850km/h，使用Hybrid Ⅲ仿真假人50%分位假人（簡稱假人），在有無防護(hù)裝置條件下各兩發(fā)進(jìn)行試驗。假人穿戴好防護(hù)服及頭盔面罩，按裝機(jī)狀態(tài)坐在彈射座椅上，在假人的脖頸處安裝傳感器，得到假人脖頸處的受力情況。試驗過程中850km/h 維持約0.5s，根據(jù)試驗測得的六分量數(shù)據(jù)及計算的損傷判據(jù)值判斷損傷情況。下文中有無頭頸部防護(hù)裝置分別簡稱為有防護(hù)和無防護(hù)。

2.1 有無防護(hù)裝置各方向力對比

第一發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下各方向力對比如圖2 所示，第二發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下各方向力對比如圖3所示。

圖2 第一發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置力的對比圖Fig.2 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in first test

圖3 第二發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置力的對比圖Fig.3 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in second test

從圖2和圖3可以看出，兩發(fā)無防護(hù)組的Fx均表現(xiàn)為先突然增大，后急劇減小，再緩慢增大到趨于穩(wěn)定的過程，當(dāng)頭頸部的抵抗作用小于氣動力，頭頸部受到-Fx的力，兩發(fā)試驗x方向所受力的最大值Fxmax的均值為466N；而有防護(hù)組因為在頭頸部提供輔助支撐，從而使得Fx方向受力減小，最大值出現(xiàn)時間延長，數(shù)據(jù)曲線整體降低，兩發(fā)試驗Fxmax均值為181N，相比無防護(hù)組的值減小了285N。

無防護(hù)的y向受力Fy為先增大后減小再趨于穩(wěn)定的過程，吹風(fēng)剛開始，隨著風(fēng)速逐漸增大，F(xiàn)y也持續(xù)增大，兩發(fā)試驗Fymax的均值為661.5N；有防護(hù)組的Fy受到氣動力后逐漸增大，數(shù)據(jù)增長較無防護(hù)組更加緩慢，且最大值出現(xiàn)時間延長，有防護(hù)組兩發(fā)試驗Fymax均值為310.5N，相比無防護(hù)組的值減小了351N。

無防護(hù)組的Fz整體表現(xiàn)為先增大后減小，結(jié)合Fx發(fā)現(xiàn)，此時假人頭部向后，受到斜向上方的力，F(xiàn)z不斷增大，兩發(fā)試驗Fzmax均值為1493.5N，后逐漸減小；有防護(hù)組的Fz最大值出現(xiàn)時間延長，均值Fzmax為731.5N，相比無防護(hù)組的值減小了762N。

2.2 有無防護(hù)裝置各方向力矩對比

第一發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下各方向力矩對比如圖4所示，第二發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下各方向力矩對比如圖5所示。

圖4 第一發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置力矩的對比圖Fig.4 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in first test

圖5和圖6為兩發(fā)試驗有無防護(hù)裝置在x、y和z三個方向上所受力矩對比圖。Mx為側(cè)彎力矩，無防護(hù)組Mx數(shù)據(jù)呈先增大后減小趨勢，且基本為“+”值，說明此時假人的頭向右彎曲，最大值Mxmax均值為30N?m；Mx有防護(hù)組數(shù)據(jù)最值出現(xiàn)時間延長，且基本為“-”值，說明此時假人的頭向左側(cè)彎曲，最大值Mxmax均值為18.5N?m，相比無防護(hù)組的值減小了11.5N?m。

圖5 第二發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置力矩的對比圖Fig.5 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in second test

My為前后彎矩，“+”為低頭力矩，“-”為抬頭力矩。My無防護(hù)組在吹風(fēng)初始階段，頭頸部有前后的振蕩，后吹風(fēng)速度逐漸增大，且基本為“+”值，說明此時假人的頭向前彎曲，假人對吹風(fēng)有一定的抵抗作用，后期氣動力過大，頭頸部向后甩出，兩發(fā)試驗My最大值均值Mymax為20.5N?m；My有防護(hù)數(shù)據(jù)組最值出現(xiàn)時間延長，最大值Mymax均值為14N?m，相比無防護(hù)組的值減小了6.5N?m。

Mz為扭矩，“+”為向左扭，“-”為向右扭。無防護(hù)組假人在吹風(fēng)初始階段，隨著風(fēng)速不斷增大，假人頭部向左扭動，最大值Mzmax均值為37N?m，后逐漸減小趨于穩(wěn)定；有防護(hù)組的Mz有兩個峰值，說明有防護(hù)組假人有兩次向左扭動，但兩次峰值遠(yuǎn)小于無防護(hù)組數(shù)據(jù)，最大值Mzmax均值為12.5N?m，相比無防護(hù)組的值減小了24.5N?m。

2.3 有無防護(hù)裝置各方向損傷判據(jù)對比

第一發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下合格判據(jù)對比如圖6 所示，第二發(fā)試驗有無防護(hù)狀態(tài)下合格判據(jù)對比如圖7所示。

從圖6和圖7兩發(fā)試驗中有無防護(hù)裝置Nij的對比圖可以發(fā)現(xiàn)，無防護(hù)組的Nij的最大值Nijmax均值為0.225；有防護(hù)組最值出現(xiàn)時間延后，最大值均值為0.13，相比無防護(hù)組的值減小了0.095。因NMIx的值與Mx成正相關(guān)，變化趨勢一致，從NMIx的對比圖可以發(fā)現(xiàn)，兩發(fā)無防護(hù)組的最大值NMIxmax均值為0.3；Mx有防護(hù)組數(shù)據(jù)最值出現(xiàn)時間延后，最大值NMIxmax均值為0.17，相比無防護(hù)組的值減小了0.13。NMIz的計算公式與NMIx類似，僅與Mz成正相關(guān)，從NMIz的對比圖可以看出，無防護(hù)最大值NMIzmax均值為0.275；NMIz有防護(hù)組數(shù)據(jù)同Mz曲線一致，出現(xiàn)了兩個峰值，最大值NMIzmax均值為0.09，相比無防護(hù)組的值減小了0.185。由以上數(shù)據(jù)對比可知，有防護(hù)組可以在很大程度上減小判據(jù)值，降低頭頸部損傷的風(fēng)險。

圖6 第一發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置判據(jù)的對比圖Fig.6 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in first test

圖7 第二發(fā)試驗有無頭頸部防護(hù)裝置判據(jù)的對比圖Fig.7 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in second test

3 結(jié)束語

本次850km/h高速氣流吹襲試驗下的兩發(fā)有無頭頸部防護(hù)裝置所受力、力矩和損傷判據(jù)值最大值的平均值對比見表2。

表2 有無頭頸部防護(hù)裝置力、力矩和判據(jù)對比表Table 2 Comparison table of force/moment and criterion with or without head and neck protection device

通過對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):（1）Fxmax相比無防護(hù)組的值減小了285N，減小率為61.16%；Fymax相比無防護(hù)組的值減小了351N，減小率為53.06%；Fzmax相比無防護(hù)的值減小了762N，減小率為51.02%。（2）Mxmax相比無防護(hù)的值減小了11.5N?m，減小率為38.33%；Mymax相比無防護(hù)的值減小了6.5N?m，減小率為31.71%；Mzmax相比無防護(hù)的值減小了24.5N?m，減小率為66.22%。（3）Nijmax相比無防護(hù)組的值減小了0.13，減小率為43.33%；NMIxmax相比無防護(hù)的值減小了0.095，減小率為42.22%；NMIzmax相比無防護(hù)的值減小了0.185，減小率為67.27%。

有防護(hù)的數(shù)據(jù)明顯小于無防護(hù)組。在本試驗狀態(tài)下，有頸部防護(hù)裝置的力、力矩和損傷判據(jù)數(shù)據(jù)值明顯降低，說明頸部防護(hù)裝置對飛行員頭頸部有一定的防護(hù)作用，可有效降低損傷風(fēng)險。后續(xù)還應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行對比試驗，使結(jié)論更具科學(xué)性和準(zhǔn)確性。