X型结构航空座椅吸能参数确定方法

晏 涛，薛萌萌，肖光润，王中任

（1.湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053；2.航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

航空座椅在保护乘员方面具有十分重要的作用，在航空器坠撞过程中，航空座椅大多通过座椅主结构或专有吸能部件吸收坠撞冲击能量以保护乘员生命安全。美国在进行航空器结构抗坠毁设计的研究时，对航空座椅以及乘员约束系统投入了大量精力，先后制定了SAE ARP5526C《飞机座椅设计指南》[1]及SAE AS8049B《民用旋翼航空器、运输类飞机和通用航空飞机座椅性能》[2]用以指导航空座椅的设计。

目前旋翼航空器座椅及运输机座椅通常安装有专有吸能部件，这些专有吸能部件大多近似垂直安装在座椅的主骨架上，坠撞时，乘员和座椅可动部分一起沿座椅主杆向下移动，吸能部件通过金属的塑性变形吸收冲击能量，但是这种安装方式需要较大的座舱空间和吸能行程。某些通用小飞机座椅由于受制于座舱空间的狭小，往往不带专有吸能部件，但是在特殊设计要求下，仅仅依靠座椅主结构，往往达不到设计指标[3]，为此本文探讨了在通用航空器X型结构座椅上安装专有吸能部件的可行性，并对推导了X型结构的航空座椅专有吸能部件关键参数确定方法。

1 航空座椅分类及动态性能指标

1.1 航空座椅分类

航空座椅按照不同的分类方法有不同结果，在实际设计过程中通常按照使用用途分为旅客座椅或者乘员座椅、驾驶员座椅（或者叫机组座椅）、工作人员座椅。其中旅客座椅一般设置在客舱内，数量较多；驾驶员座椅设置在驾驶舱内，一般设置两台，特殊情况会有一定数量的变化；工作人员座椅位置、构型及安装方式就比较复杂，根据不同飞机型号，有不同的设置，如观察员座椅、乘务员座椅、操作员座椅等，其连接方式也各有区别，如固定连接、滑轨连接、与壁板连接等。

但是在进行座椅性能指标验证时，按照使用用途的分类方法往往较繁琐，故本文按照美国机动车工程师协会编制的AS 8049B《民用旋翼航空器、运输类飞机和通用航空航空座椅的性能标准》，将座椅根据不同航空器类型，分为A、B、C三类，分别对应运输机座椅、旋翼航空器座椅和通用航空器座椅[2]。

1.2 航空座椅的动态性能指标

航空座椅最基本的性能指标包括座椅静强度指标和动态性能指标两个部分，其中航空座椅的动态性能指标是进行座椅专有吸能部件设计时的重要依据。动态性能也是适坠性座椅的一项重要指标，其目的是在坠毁时，通过座椅的柔性吸能设计，降低传递到乘员身上的危险载荷，直至达到人体的生理耐限指标。动态试验中，要求座椅不得屈服到阻碍飞机乘员迅速撤离的程度，美国联邦航空管理局FAA对各类航空座椅的动态性能试验做了明确要求[1-3]，如表1所示。

表1 各类航空座椅动态性能试验要求

2 X型结构航空座椅吸能参数确定

2.1 吸能器行程的确定

按照FAA第4部23部分的规定[4]，C类航空座椅在进行动态性能试验验证时需受到垂直方向大于19 g的垂直减速度，减速度的大小介于A类（14 g）与B类（30 g）之间。由于C类航空座椅垂直冲击试验要求并不高，而且在具体工程研制时座椅结构常常受到机舱大小与其本身调节功能要求的限制，并不能像B类航空座椅一样在靠背位置垂直安装专有吸能部件。因此，现阶段我国自主研发的C类航空座椅大多都没有采用专有吸能部件，而是使用座椅主结构变形吸能的方式来吸收坠撞时产生的能量冲击。

虽然某些通过主结构变形吸能的C类航空座椅通过了垂直动态冲击试验，但是试验过程普遍曲折，反复试验次数较多。这是因为通过座椅主结构变形来吸能的方式没有合适的理论计算方法，只能通过试验反复摸索，在反复试验的过程中产生了较大的花费。

在某型C类航空座椅的开发过程中考虑到飞机驾驶舱狭小，驾驶员座椅座面高度比较低，并要求在驾驶员臀部不离开座面的情况下能够实现座椅高度调节，靠背角度调节等功能，最终选用X型结构的升降底座，但是在进行垂直冲击试验时，试验假人的腰椎载荷超过人体耐受极限6 672 N[5]。

由于X型底座垂直方向的空间非常紧凑，故在水平方向上安装专有吸能部件，如图1所示。当座椅受到垂直方向的冲击时，人与座板压迫X型底座，垂直方向的冲击转化为水平方向的冲击，从而拉动水平方向的吸能部件，当冲击达到启动载荷后，吸能部件开始工作，并吸收冲击能量，完成对人体的保护。

图1 某型通用类航空座椅

X型件受压变形简化模型如图2所示，吸能装置在水平方向的行程△L可以通过人机相对位移S求得，计算公式如下：

式中：△L表示吸能部件的吸能行程，S表示人机垂直方向的相对位移，2L为X型件的长度，θ1为变形前X型件的夹角，θ2为变形后X型件的夹角。需要指出的是公式（1）求得的是吸能部件必须满足的最小行程，由于人体刚度、座椅刚度、各种阻尼等因素的影响，在设计时对吸能部件的吸能行程往往需要考虑一定的裕度，图2所示。

图2 X型底座变形简化模型

2.2 吸能部件缓冲载荷的确定

当人体受到的坠撞冲击达到临界许用载荷时，垂直方向的力在X型件上水平方向的分力就是吸能部件的启动载荷。人体在垂直方向受到的临界冲击力[6]为 F=G许用·g·mmin，其中 mmin为乘员最小质量，G许用为人体可耐受过载，g为重力加速度。X型件上受力分析如图3所示，则吸能部件启动载荷为：

图3 X型底座受力分析

随着人体受到的冲击达到，吸能部件开始启动，座椅向下位移。由于安装方式的原因，随着X型件夹角θ变小，作用于吸能部件上的力值随之增大，如图4所示。但是θ的极限值可由吸能行程及X型底座变形前和变形后的尺寸X1、X2表示。为使吸能部件行程最小化，在理论上，整个吸能阶段需要人体一直受到稳定的人体耐受极限载荷G许用，但是由于θ变化，需要求出吸能部件缓冲力的范围，通过三角函数转化可以得到所需吸能部件缓冲载荷的表达式为：

图4 X型底座变形转化

3 结束语

本文首先讨论了航空座椅的分类，收集整理了航空座椅的动态性能指标，并探讨了X型吸能结构在通用飞机座椅上的安装方式，由X型机构简化模型，及变形前后的几何关系可以推导出吸能部件的吸能行程及缓冲载荷计算公式，以指导吸能部件的设计。