航空仿真试验假人的适用性设计

沈文波， 赵培林， 周 方

（1.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003；2.航空防护救生技术航空科技重点实验室，湖北 襄阳 441003；3.成都飞机设计研究所，四川 成都 610091）

0 引 言

在飞行员弹射救生装备的研制中，试验假人是评价装备性能最重要的测试装置之一。20世纪50年代，美国Alderson Research Labs和Sierra Engineering等研究机构为美国空海军研制了第一个用于飞行员弹射座椅、头盔和约束系统测试的试验假人[1]，1960年，研制出第一代具有仿真性能的重心假人GARD，以此为基础，不断开展提高假人生物仿真度和测试能力的研究工作，陆续研发出以LRE、ADAM、Aerospace、JPATS、ADPATS、HURD为代表的一系列高性能航天航空试验假人[2-4]，其在先进防护救生装备的研制中发挥了重要作用。20世纪80年代以来，在我国自主研发弹射救生装备的过程中，一直使用同期研制的仿形重心假人进行基本弹射生理指标的测试，其生物仿真度和测试能力已经不能满足科学评价装备性能的要求，对装备研制形成了明显制约。自21世纪初，国内开展了国产汽车碰撞、航空航天仿真试验假人的研究并取得了系列成果[5-7]，但尚未形成系列，不能全面满足装备科研的需求。作为一种解决工程需求的途径，国内科研单位与美国HUMANATICS公司开展了适合中国飞行员人体特征、满足国军标测试要求的中国改进型混合通用研究假人（china enhanced hybrid universal research dummy，CEHURD）航空试验假人研制项目。

1 我国仿形重心假人的性能限制

1.1 人体尺寸

现有试验假人的人体尺寸参考20世纪80年代美国军用标准，并结合当时我国300例男性飞行员的人体测量数据而设计，分为第5百分位、第50百分位和第95百分位3种规格。采用GJB 4856——2003《中国男性飞行员人体尺寸》后，通过局部增加质量块的方式对人体质量进行了相应调整，而人体尺寸已经固化，难以对实物进行调整。

对于飞机弹射救生系统而言，弹射通道的清理是实现成功救生的重要环节，飞机座舱与人座椅系统的空间关系以及穿盖弹射时通道的清理状态对试验假人作用的载荷有着密切的关系，当飞行员乘员范围扩大后，试验假人的人体尺寸能否准确代表我国飞行员的特征，将严重影响装备性能的评价。

1.2 人体结构和力学性能

飞行员在弹射过程中要承受复杂的弹射动力载荷、气动载荷和穿盖撞击载荷等，这些载荷会导致人体骨折、软组织撕裂和脏器出血[8]，国内外均设定了一系列生理损伤耐限指标评价防护救生装备性能[9-10]。为保证试验假人测试的数据能够真实代表真人的生理响应，在人体结构上，要求假人的各活动组成部件能够真实模拟飞行员乘坐、受气流吹袭时的肢体摔打、头颈部运动，与弹射座椅分离后及降落伞开伞、稳降过程中的各种姿态；在力学性能上，要求假人的各部件要具有拟人的力（力矩）-变形特性。

现有仿形重心假人的结构设计考虑了躯干及四肢的运动分段，但各关节均为简单的单、双耳连接方式，其活动范围以及肩关节、肘关节、髋关节和膝关节的IG平衡及关节的阻尼特性[6]并不具备拟人的特性；假人内部骨架均为铝制品，试验过程中的飞脱或损坏，对装备性能评价带来严重干扰；假人的皮肤使用较高硬度的橡胶包覆在骨架上，皮肤材料的力学性能不能逼真地反映人体对外部载荷的响应。

1.3 传感器及测试系统

内置在假人体内的传感器既是敏感外部载荷的测量单元，也是假人结构的有机部分，传感器的外形及安装接口与相关的人体结构必须适配；同时，传感器均应具有多分量的测试能力，以便能够更细致地观察人体对外部载荷的响应情况。

目前仿形重心假人使用的传感器没有采取测量功能与结构一体化设计，用于测量穿盖载荷的单轴向力传感器加装在假人的头、肩、膝部，传感器的一端露在人体外以便与碰撞物接触感受载荷，与内置多分量传感器通过假人人体结构传递载荷的测量方式相比较，测试数据的准确性和表达能力存在明显的限制。

2 适用性设计方案

2.1 适用性设计原则

1）充分延用先进的生物仿真性能，分项改进以保证整体性能为原则。

通过对美国已有航空航天仿真假人成熟产品的数据分析发现，JPATS Case 4和JPATS Case 7假人分别代表“坐高较高、肢体偏短”、“尺寸全面偏小”的人体特征，其主要特征数据与我国军用标准统计数据比较接近，改进的难度和成本最适宜。

在兼顾性能和成本时，必须舍弃一些非核心细节的要求，出于成本考虑而进行的假人尺寸、结构、传感器和测试系统的分项改进，必须保证对系统整体性能的影响是可以接受的。

2）针对影响弹射性能评价的关联程度，进行人体尺寸特征项目的剪裁。

我国飞行员人体尺寸标准统计的测量基础项目共有141项[11]，在以适用性改进为目标的设计方案中，若全部采用标准提出的人体参数，需要对制造模具进行大量更改，成本较高，必要性也不大。通过分析人体特征项目对弹射过程装备性能评价的关联程度，确定需要严格满足中国标准的人体特征项目，如表1所示。

3）按照我国军用标准规定的测量项目，进行传感器和测试系统的配置及改进。

我国自上世纪80年代起陆续建立了一系列飞行员弹射损伤测试与判断标准，提出了人体弹射过载、穿盖撞击载荷、高速气流吹袭时颈部、四肢载荷等生理耐限评价项目；其中，人体头颈部、肩部的测试要求与美国假人存在明显区别，需要对传感器及假人的结构进行相应的改进。

表1 假人人体特征项目剪裁

弹射救生系统弹射试验过程的数据测量通常由一套复杂的电测、遥测和光学测试系统完成，各个分系统的测试数据通过时间统一系统建立时间联系；在假人测试系统配置时需要考虑时统的接入及与其他分系统的协作，在测试系统的电源能力、数据备份等方面也需要结合试验的要求进行适应改进。

2.2 设计方案

2.2.1 假人结构设计

随着我国空军女性飞行员的增加、男性飞行员体形特征变化以及装备出口区域的扩大，弹射救生装备的适用乘员范围要求更宽。装备鉴定试验通常选择偏极限大小的模拟乘员作为严酷考核状态，因此，按照1%th百分位和98%th百分位两种规格对假人相关部件的尺寸进行重新设计。其整体结构如图1所示。

图1 CEHURD仿真假人结构示意图

假人头部的尺寸和外形影响飞行员头盔系统的保持状态和头部的受力状态，头部的质量特性则影响弹射过程中产生在颈部的载荷。尽管美国军方确定了一组标准的假人头部，并应用在多个弹射座椅验证计划中[12-13]；然而，由于部分标准头部的枕髁（occipital condoyle）位于真人枕髁之上[9]，会显著减弱头部和颈部的响应，并不适合用于头颈部的损伤评价，结构如图2所示，研究者通过对大量人体样本进行头部三维表面扫描和利用56例尸体对象试验的方式，分析得出一组与枕髁位置关联的头部重心数据，CEHURD假人采用了符合此特征的JSF大小号头部。

图2 假人枕髁位置（左为真人，右为假人）

假人的脊椎空腔是放置数据记录设备的主要空间，根据选用的测试设备结构尺寸，并考虑到提高主要生理判据指标测试的可靠性，增加了一套微型备份数据采集器的安装空间。

我国新型弹射座椅均采用了抬腿机构以提高对飞行员腿部的防护能力。抬腿机构工作时，将大腿抬高约160mm（绕髋关节的活动角度约为20°），要求假人大腿活动范围及其对作用力的响应与真人相似，而美国假人不能严格满足此要求，其改进设计通过对假人髋关节的活动范围以及大腿根部皮肤的局部调整实现，其抬腿力矩与角度之间的关系如图3所示。

图3 CEHURD抬腿力矩与活动角度关系图

2.2.2 传感器配置及改进

CEHURD仿真假人选用了结构和测量功能一体化设计的传感器，这种方式避免了因加装测试设备对假人质量特性、关节运动范围带来的影响，主要的载荷传感器均具有多分量的测试能力。传感器的配置及主要指标见表2。

表2 CEHURD假人传感器配置

为满足我国军用标准穿盖弹射肩部撞击载荷的测试要求，对假人的肩部结构和肩部传感器进行了重新设计，如图4所示。

图4 假人肩部及肩部载荷传感器结构

2.2.3 数据测试系统配置

在传统的集中式数据采集系统中，需要使用数目繁多的测试电缆、接插件将假人各部位的传感器信号连接在位于假人胸腔或腰椎部位的数据采集器上，在动态载荷作用下，容易发生脱落、断裂的情况，数据集中在一台采集器记录，增加了丢失全部数据的风险；测试系统的布局对假人关节活动范围和质量、重心的影响也较大。CEHURD选择了一种基于分布式结构的数据采集系统，通过在人体远端传感器上加装微型采集记录设备形成一个独立的测量节点，通过HUB将各节点数据通过单根通信线传送给主控制器，系统可靠性得到了显著提高。

3 结果及应用

对完成适用性改进的假人进行各部件的质量特性、关节活动范围和整体重心等参数的测试；并通过对头部、颈部、胸部组件，腰椎组件，腿部组件等施加标准的外部冲击载荷[14]，判断假人的力学响应是否在规定的范围内。系列测试结果表明，假人的生物仿真性能全部符合规范要求。图5显示了假人腹部的标定试验结果与规定范围的关系。

图5 假人腹部标定试验结果

图6 人体弹射过载

利用CEHURD仿真假人进行多次弹射救生系统的地面有速度综合性能试验，测试了弹射过程中人体加速度载荷、人-座椅系统旋转角速度、穿盖过程中头、颈、肩、腿部载荷等主要的生理损伤判据指标；试验结果表明，假人及其数据测试系统工作稳定、可靠，测试数据的精度和表达能力显著提升，系统的结构强度能够满足弹射试验的力学环境条件。图6为人体弹射过载的测试结果。

4 结束语

经过适用性改进的CEHURD仿真假人将在新的弹射损伤机理研究、我国新一代弹射救生装备研制过程中发挥突出作用。作为一种特殊的测量装置，为了保证测试结果的一致性和可对比性，研究者应进一步开展航空仿真假人及测试系统的国家标准建设工作，对系统的测量特性进行规范和统一。

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