某轻型飞机驾驶员座椅装机动态水平冲击试验分析

郑亚明

某轻型飞机驾驶员座椅装机动态水平冲击试验分析

郑亚明

本文介绍了某轻型飞机驾驶员座椅装机动态水平冲击适航验证试验整个过程，包括试验设施、试验构型筛选、试验件安装和试验方法。并针对试验后的结果进行了分析和评估。评估结果表明该轻型飞机驾驶员座椅及其周围环境能够有效降低驾驶员在水平坠撞环境中的伤害。

在某轻型飞机座椅装机动态水平冲击试验中，由于试验前座椅按要求已经取得CTSOA，所以座椅本身的结构强度已经得到验证，试验主要检验的是座椅与机身的连接强度，以及座椅和周围结构组成的生存环境对乘员的保护能力。由于在该轻型飞机上安全带的定位点在机身结构上，使得安全带的耐撞性能凸显出来。按照中国民航适航规章CCAR-23-R3中第23.562条的要求，驾驶员座椅安全带与机身的连接要承受先前至少26g冲击载荷的考验。

某轻型飞机座椅装机动态水平冲击试验过程

试验设施

该水平冲击试验设施属于试验设施中的减速式滑车设备，在试验中以减速度形式产生冲击脉冲，模拟飞机在坠撞过程中的载荷施加方式。减速式滑车试验台示意图，如图1所示。试验时，将试验件、试验假人通过试验安装架固定在滑车安装平面上，通过拖动装置将滑车沿轨道拉出一定距离，这个过程中，与滑车连接的弹性绳不断被拉紧，然后电控装置释放滑车，在弹性绳的牵引下，使滑车达到预定的速度，当滑车前端冲杆撞入液体缓冲器后，产生预期的冲击脉冲，通过调节缓冲器来满足试验的冲击脉冲要求。试验中通过光测系统记录整个试验过程；电测系统中测速装置用来测量加速度，数据采集器用来测量及记录假人头部运动加速度曲线、肩带载荷曲线等测量结果。

试验件构型筛选

冲击时，该轻型飞机约束系统将力传给周身结构，因此需将座椅、约束系统和周身结构和设备一起作为试验件进行考虑。受试验条件限制和从经济性、安全性方面考虑，不能拿整机及舱内全部安装设备来完成该试验，因此要对试验件的构型进行筛选，原则如下。

1）应完整保留在冲击载荷作用下，座椅、约束系统传力路径中的承力结构。

2）应完整保留在冲击载荷作用下，头部运动包线范围内的结构件和设备。

3）应完整保留座舱段主要承力及加强件，对座舱段试验件承力没有影响或影响很小的结构件可不安装。

4）为模拟在应急着陆情况下，驾驶员操纵飞机时的坐姿，应提供相关支持设备，包括驾驶盘和脚蹬等。

试验件安装

由于座椅在座舱内对称分布，试验时每排只需安装一把座椅。该试验采用“左偏右座”方式，即试验件处于水平状态且飞机垂直对称面相对撞击方向向左偏航10°无俯仰，并在座舱右部安装座椅及约束系统。这是因为根据力的分解原理，向左偏航的假人，在冲击时受到一个向右的分力促使假人头部及躯干有向右倾斜趋势，从而与右侧结构碰撞的概率较大。试验平台上待试座椅及约束系统固定件应与安装该座椅及约束系统的飞机固定件相同。

试验安装架与试验件的连接应能承受冲击载荷的作用，并能将载荷真实准确地传递至试验件上。该试验试验件在滑车上的安装，见图3。

图1　减速式滑车试验台示意图

图2　试验脉冲波形

图3　安装好假人的座椅-滑车试验系统

试验方法

1） 在水平冲击试验设施上调试出满足如下要求的试验脉冲波形。

a）最小碰撞速度：12.80 m/s；

b）最大tr： 50 ms；

c）最小负加速度峰值gmin：26 g；

d）脉冲波形见图2。

2）按照已经批准的图纸要求，将试验件（包括座椅及约束系统）通过试验安装架固定在试验滑车上，如上图3；然后按照要求布置和定位假人坐姿，并调试电测系统和光测系统。

3）试验前、后从不同方向（至少4个方向）对试验件和假人状态进行拍照。

4）试验后检查试验的全部数据记录，判断试验是否合格。

试验结果与分析

图4　假人及座椅在2ms时的响应

图5　假人及座椅在18ms时的响应

图6　假人及座椅在34ms时的响应

图7　假人及座椅在50ms时的响应

① 试验时座椅、约束系统及假人的变形情况

从图4—图8可以看出在滑车碰到缓冲器后，假人由于惯性继续向前运动。在0-18ms内，假人由于惯性前移，但坐姿并没发生明显改变。从18ms时刻起，假人腹部开始受到安全带腰带显著的约束，假人下体向前运动的趋势减弱。假人上体也开始受到安全带肩带的约束，但仍继续向前作俯冲运动，手臂向前飞出。由于偏航10度的影响，假人上体有向右倾斜趋势。在34ms假人头部俯冲到达前方临界点后开始回弹。在50ms后，假人上躯干回弹运动被座椅靠背阻止；头部由于没有头靠约束，继续向后运动。

② 试验后座椅及约束系统检查结果

1） 座椅及约束系统无明显的变形、位移或撞损，试验后仍可以约束住假人；

2） 座椅及约束系统与试验件结构的连接保持完好。图5为试验后照片。

③ 试验后测量结果与分析

图8　假人及座椅在66ms时的响应

表1　试验测量结果

1）关于冲击脉冲波形分析

本文试验讨论的冲击波形是一个理想的等腰三角形，实际的试验波形与理想的波形是不一样的，有必要对这些实际试验波形进行评估。经分析，该试验脉冲波形（见图6）满足SAE 8049A附录A“评估冲击脉冲波形的方法”中全部五项要求。

2）关于假人损伤分析

头部伤害指标（HIC）达到适航标准要求，头部最大加速度为64.25g。

肩带载荷达到适航标准要求。

股骨轴向压缩载荷不是试验要求考核的目标，对其测量仅作为参考。假人右腿在碰撞中与仪表板下缘发生了接触，有受伤风险。

④ 关于结构安全性评估

从试验录像和试验后检查结果发现：整个碰撞过程中，座椅、安全带、机身结构及其连接都保持完好，未发生明显的位移、脱落和破损，结构强度设计合理；腰带一直保持在假人骨盆上；肩带也被及时拉出，并始终保持在假人肩上；假人头部并未与舱内结构发生二次碰撞。

图9　试验后假人和试验件状态

图10　试验冲击脉冲波形曲线

总结

从以上试验结果和分析看，由于驾驶员座椅及周身环境的合理布置和保护，假人头部伤害值（HIC）、肩带载荷等都在适航标准规定的合格范围内。因此，该轻型飞机座舱结构、座椅及安全带组成的系统能够有效的降低驾驶员在水平坠撞环境中的伤害。但在水平坠撞环境中，由于驾驶员座椅及周身环境的紧凑性，驾驶员腿部与仪表板相撞仍有受伤的可能性，今后可对驾驶员腿部碰撞区域结构加以改进。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.009