航空仿真試驗假人的適用性設(shè)計

沈文波， 趙培林， 周 方

（1.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；2.航空防護救生技術(shù)航空科技重點實驗室，湖北 襄陽 441003；3.成都飛機設(shè)計研究所，四川 成都 610091）

0 引 言

在飛行員彈射救生裝備的研制中，試驗假人是評價裝備性能最重要的測試裝置之一。20世紀50年代，美國Alderson Research Labs和Sierra Engineering等研究機構(gòu)為美國空海軍研制了第一個用于飛行員彈射座椅、頭盔和約束系統(tǒng)測試的試驗假人[1]，1960年，研制出第一代具有仿真性能的重心假人GARD，以此為基礎(chǔ)，不斷開展提高假人生物仿真度和測試能力的研究工作，陸續(xù)研發(fā)出以LRE、ADAM、Aerospace、JPATS、ADPATS、HURD為代表的一系列高性能航天航空試驗假人[2-4]，其在先進防護救生裝備的研制中發(fā)揮了重要作用。20世紀80年代以來，在我國自主研發(fā)彈射救生裝備的過程中，一直使用同期研制的仿形重心假人進行基本彈射生理指標的測試，其生物仿真度和測試能力已經(jīng)不能滿足科學評價裝備性能的要求，對裝備研制形成了明顯制約。自21世紀初，國內(nèi)開展了國產(chǎn)汽車碰撞、航空航天仿真試驗假人的研究并取得了系列成果[5-7]，但尚未形成系列，不能全面滿足裝備科研的需求。作為一種解決工程需求的途徑，國內(nèi)科研單位與美國HUMANATICS公司開展了適合中國飛行員人體特征、滿足國軍標測試要求的中國改進型混合通用研究假人（china enhanced hybrid universal research dummy，CEHURD）航空試驗假人研制項目。

1 我國仿形重心假人的性能限制

1.1 人體尺寸

現(xiàn)有試驗假人的人體尺寸參考20世紀80年代美國軍用標準，并結(jié)合當時我國300例男性飛行員的人體測量數(shù)據(jù)而設(shè)計，分為第5百分位、第50百分位和第95百分位3種規(guī)格。采用GJB 4856——2003《中國男性飛行員人體尺寸》后，通過局部增加質(zhì)量塊的方式對人體質(zhì)量進行了相應(yīng)調(diào)整，而人體尺寸已經(jīng)固化，難以對實物進行調(diào)整。

對于飛機彈射救生系統(tǒng)而言，彈射通道的清理是實現(xiàn)成功救生的重要環(huán)節(jié)，飛機座艙與人座椅系統(tǒng)的空間關(guān)系以及穿蓋彈射時通道的清理狀態(tài)對試驗假人作用的載荷有著密切的關(guān)系，當飛行員乘員范圍擴大后，試驗假人的人體尺寸能否準確代表我國飛行員的特征，將嚴重影響裝備性能的評價。

1.2 人體結(jié)構(gòu)和力學性能

飛行員在彈射過程中要承受復(fù)雜的彈射動力載荷、氣動載荷和穿蓋撞擊載荷等，這些載荷會導(dǎo)致人體骨折、軟組織撕裂和臟器出血[8]，國內(nèi)外均設(shè)定了一系列生理損傷耐限指標評價防護救生裝備性能[9-10]。為保證試驗假人測試的數(shù)據(jù)能夠真實代表真人的生理響應(yīng)，在人體結(jié)構(gòu)上，要求假人的各活動組成部件能夠真實模擬飛行員乘坐、受氣流吹襲時的肢體摔打、頭頸部運動，與彈射座椅分離后及降落傘開傘、穩(wěn)降過程中的各種姿態(tài)；在力學性能上，要求假人的各部件要具有擬人的力（力矩）-變形特性。

現(xiàn)有仿形重心假人的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了軀干及四肢的運動分段，但各關(guān)節(jié)均為簡單的單、雙耳連接方式，其活動范圍以及肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的IG平衡及關(guān)節(jié)的阻尼特性[6]并不具備擬人的特性；假人內(nèi)部骨架均為鋁制品，試驗過程中的飛脫或損壞，對裝備性能評價帶來嚴重干擾；假人的皮膚使用較高硬度的橡膠包覆在骨架上，皮膚材料的力學性能不能逼真地反映人體對外部載荷的響應(yīng)。

1.3 傳感器及測試系統(tǒng)

內(nèi)置在假人體內(nèi)的傳感器既是敏感外部載荷的測量單元，也是假人結(jié)構(gòu)的有機部分，傳感器的外形及安裝接口與相關(guān)的人體結(jié)構(gòu)必須適配；同時，傳感器均應(yīng)具有多分量的測試能力，以便能夠更細致地觀察人體對外部載荷的響應(yīng)情況。

目前仿形重心假人使用的傳感器沒有采取測量功能與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，用于測量穿蓋載荷的單軸向力傳感器加裝在假人的頭、肩、膝部，傳感器的一端露在人體外以便與碰撞物接觸感受載荷，與內(nèi)置多分量傳感器通過假人人體結(jié)構(gòu)傳遞載荷的測量方式相比較，測試數(shù)據(jù)的準確性和表達能力存在明顯的限制。

2 適用性設(shè)計方案

2.1 適用性設(shè)計原則

1）充分延用先進的生物仿真性能，分項改進以保證整體性能為原則。

通過對美國已有航空航天仿真假人成熟產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，JPATS Case 4和JPATS Case 7假人分別代表“坐高較高、肢體偏短”、“尺寸全面偏小”的人體特征，其主要特征數(shù)據(jù)與我國軍用標準統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較接近，改進的難度和成本最適宜。

在兼顧性能和成本時，必須舍棄一些非核心細節(jié)的要求，出于成本考慮而進行的假人尺寸、結(jié)構(gòu)、傳感器和測試系統(tǒng)的分項改進，必須保證對系統(tǒng)整體性能的影響是可以接受的。

2）針對影響彈射性能評價的關(guān)聯(lián)程度，進行人體尺寸特征項目的剪裁。

我國飛行員人體尺寸標準統(tǒng)計的測量基礎(chǔ)項目共有141項[11]，在以適用性改進為目標的設(shè)計方案中，若全部采用標準提出的人體參數(shù)，需要對制造模具進行大量更改，成本較高，必要性也不大。通過分析人體特征項目對彈射過程裝備性能評價的關(guān)聯(lián)程度，確定需要嚴格滿足中國標準的人體特征項目，如表1所示。

3）按照我國軍用標準規(guī)定的測量項目，進行傳感器和測試系統(tǒng)的配置及改進。

我國自上世紀80年代起陸續(xù)建立了一系列飛行員彈射損傷測試與判斷標準，提出了人體彈射過載、穿蓋撞擊載荷、高速氣流吹襲時頸部、四肢載荷等生理耐限評價項目；其中，人體頭頸部、肩部的測試要求與美國假人存在明顯區(qū)別，需要對傳感器及假人的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的改進。

表1 假人人體特征項目剪裁

彈射救生系統(tǒng)彈射試驗過程的數(shù)據(jù)測量通常由一套復(fù)雜的電測、遙測和光學測試系統(tǒng)完成，各個分系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)通過時間統(tǒng)一系統(tǒng)建立時間聯(lián)系；在假人測試系統(tǒng)配置時需要考慮時統(tǒng)的接入及與其他分系統(tǒng)的協(xié)作，在測試系統(tǒng)的電源能力、數(shù)據(jù)備份等方面也需要結(jié)合試驗的要求進行適應(yīng)改進。

2.2 設(shè)計方案

2.2.1 假人結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著我國空軍女性飛行員的增加、男性飛行員體形特征變化以及裝備出口區(qū)域的擴大，彈射救生裝備的適用乘員范圍要求更寬。裝備鑒定試驗通常選擇偏極限大小的模擬乘員作為嚴酷考核狀態(tài)，因此，按照1%th百分位和98%th百分位兩種規(guī)格對假人相關(guān)部件的尺寸進行重新設(shè)計。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CEHURD仿真假人結(jié)構(gòu)示意圖

假人頭部的尺寸和外形影響飛行員頭盔系統(tǒng)的保持狀態(tài)和頭部的受力狀態(tài)，頭部的質(zhì)量特性則影響彈射過程中產(chǎn)生在頸部的載荷。盡管美國軍方確定了一組標準的假人頭部，并應(yīng)用在多個彈射座椅驗證計劃中[12-13]；然而，由于部分標準頭部的枕髁（occipital condoyle）位于真人枕髁之上[9]，會顯著減弱頭部和頸部的響應(yīng)，并不適合用于頭頸部的損傷評價，結(jié)構(gòu)如圖2所示，研究者通過對大量人體樣本進行頭部三維表面掃描和利用56例尸體對象試驗的方式，分析得出一組與枕髁位置關(guān)聯(lián)的頭部重心數(shù)據(jù)，CEHURD假人采用了符合此特征的JSF大小號頭部。

圖2 假人枕髁位置（左為真人，右為假人）

假人的脊椎空腔是放置數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的主要空間，根據(jù)選用的測試設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，并考慮到提高主要生理判據(jù)指標測試的可靠性，增加了一套微型備份數(shù)據(jù)采集器的安裝空間。

我國新型彈射座椅均采用了抬腿機構(gòu)以提高對飛行員腿部的防護能力。抬腿機構(gòu)工作時，將大腿抬高約160mm（繞髖關(guān)節(jié)的活動角度約為20°），要求假人大腿活動范圍及其對作用力的響應(yīng)與真人相似，而美國假人不能嚴格滿足此要求，其改進設(shè)計通過對假人髖關(guān)節(jié)的活動范圍以及大腿根部皮膚的局部調(diào)整實現(xiàn)，其抬腿力矩與角度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 CEHURD抬腿力矩與活動角度關(guān)系圖

2.2.2 傳感器配置及改進

CEHURD仿真假人選用了結(jié)構(gòu)和測量功能一體化設(shè)計的傳感器，這種方式避免了因加裝測試設(shè)備對假人質(zhì)量特性、關(guān)節(jié)運動范圍帶來的影響，主要的載荷傳感器均具有多分量的測試能力。傳感器的配置及主要指標見表2。

表2 CEHURD假人傳感器配置

為滿足我國軍用標準穿蓋彈射肩部撞擊載荷的測試要求，對假人的肩部結(jié)構(gòu)和肩部傳感器進行了重新設(shè)計，如圖4所示。

圖4 假人肩部及肩部載荷傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.3 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)配置

在傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要使用數(shù)目繁多的測試電纜、接插件將假人各部位的傳感器信號連接在位于假人胸腔或腰椎部位的數(shù)據(jù)采集器上，在動態(tài)載荷作用下，容易發(fā)生脫落、斷裂的情況，數(shù)據(jù)集中在一臺采集器記錄，增加了丟失全部數(shù)據(jù)的風險；測試系統(tǒng)的布局對假人關(guān)節(jié)活動范圍和質(zhì)量、重心的影響也較大。CEHURD選擇了一種基于分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過在人體遠端傳感器上加裝微型采集記錄設(shè)備形成一個獨立的測量節(jié)點，通過HUB將各節(jié)點數(shù)據(jù)通過單根通信線傳送給主控制器，系統(tǒng)可靠性得到了顯著提高。

3 結(jié)果及應(yīng)用

對完成適用性改進的假人進行各部件的質(zhì)量特性、關(guān)節(jié)活動范圍和整體重心等參數(shù)的測試；并通過對頭部、頸部、胸部組件，腰椎組件，腿部組件等施加標準的外部沖擊載荷[14]，判斷假人的力學響應(yīng)是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。系列測試結(jié)果表明，假人的生物仿真性能全部符合規(guī)范要求。圖5顯示了假人腹部的標定試驗結(jié)果與規(guī)定范圍的關(guān)系。

圖5 假人腹部標定試驗結(jié)果

圖6 人體彈射過載

利用CEHURD仿真假人進行多次彈射救生系統(tǒng)的地面有速度綜合性能試驗，測試了彈射過程中人體加速度載荷、人-座椅系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度、穿蓋過程中頭、頸、肩、腿部載荷等主要的生理損傷判據(jù)指標；試驗結(jié)果表明，假人及其數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，測試數(shù)據(jù)的精度和表達能力顯著提升，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度能夠滿足彈射試驗的力學環(huán)境條件。圖6為人體彈射過載的測試結(jié)果。

4 結(jié)束語

經(jīng)過適用性改進的CEHURD仿真假人將在新的彈射損傷機理研究、我國新一代彈射救生裝備研制過程中發(fā)揮突出作用。作為一種特殊的測量裝置，為了保證測試結(jié)果的一致性和可對比性，研究者應(yīng)進一步開展航空仿真假人及測試系統(tǒng)的國家標準建設(shè)工作，對系統(tǒng)的測量特性進行規(guī)范和統(tǒng)一。

[1]David R H，Tina D J.An illustrated history of the crash test dummy[Z].Humanetics Corporation，2013.

[2]Richard PW，Richard D L.A new high-fidelity human anlog for ejection testing[J].Safe J，1985，15（2）：30-40.

[3]Roy R R.The USAF advance dynamic anthropomorphic manikin-ADAM[C]∥24th Annual SAFE Symposium，1986.

[4]Golder S，Salloum M，Morgan G，et al.ADPATS：combined technologies produce the next generation of ejection manikin[C]∥38th Annual SAFE Symposium，2000.

[5]陳爽，袁中凡，林大全，等.國產(chǎn)碰撞假人的設(shè)計與分析[J].四川大學學報：工程科學版，2008，40（3）：178-181.

[6]柳松楊，徐元銘，楊春信.航空航天仿真試驗假人研制[J].北京航空航天大學學報，2012，38（2）：191-194.

[7]袁中凡，林大全，周兵.直升機防墜毀試驗假人的研制與標定[J].四川大學學報：工程科學版，2007，39（2）：160-163.

[8]樊瑜波，柳松楊.航空生物力學[J].醫(yī)用生物力學，2010（4）：236.

[9]Jeffrey P，Nichols.Overview of ejection neck injury criteria[C]∥44th Annual SAFE Symposium，2006：1.

[10]Barry S，Shender，Paskoff G.Overview of the NAVAIR spinal injury mitigation program[C]∥43th Annual SAFE Symposium，2005：185-191.

[11]GJB 4856—2003中國男性飛行員人體尺寸[S].2003.

[12]John A.Plaga mark boehmer human head shapes and size for design of ejection test manikins[C]∥41th Annual SAFE Symposium，2003：102-106.

[13]Plaga J A，Chris A L.Inertial properties of human heads for ejection test manikin design[C]∥41th Annual SAFE Symposium，2003：96-101.

[14]Code of Federal Regulations.Title 49 Part 572 Anthropomorphic Test Dummies[Z].NHTSA，2007.