直升机驾驶员座椅舒适性指标量化研究

2022-01-12王欣宇刘舒宁曹栋波

直升机技术 2021年4期

成德，王欣宇，刘舒宁，颜亮，曹栋波

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001;2.武警部队装备部装备项目管理中心，北京 100071；3.海军装备部装备招标中心，北京 100071)

0 引言

直升机驾驶员座椅作为有人直升机必备的关键产品，时刻与驾驶员进行着交互，除其他技战术要求的功能性能指标外，座椅舒适性也是一个重要的评价指标。直升机驾驶员座椅舒适程度决定着驾驶员的疲劳发生的早晚，良好的舒适性能够更利于驾驶员长时间、高专注度执行任务[1-2]。

目前我国设计制造的直升机，由于前期研究中主要以作战效能和重量作为考量指标，重点关注座椅的静强度、抗坠毁能力和抗弹击能力等参数，未对舒适性进行深入研究，导致不断有外场飞行员反馈座椅舒适性差、座椅垫太硬、长时间飞行腰痛等问题。随着我国直升机设计技术的发展，平台能力基本成型，直升机设计目标从“飞起来”向着“飞得好”转变，座椅舒适性问题也就成了亟待解决的问题。

我国直升机前期设计工作中针对舒适性的要求以定性为主，例如“座椅需满足人机工程学设计要求，提高乘坐舒适性”等，缺少显著的强相关定量考核指标，对座椅软硬度、支撑性、透气性等飞行员重点关注的指标更是缺少有效的定量研究。因此，迫切需要针对直升机座椅舒适性进行深入研究，找出能够定量评估座椅舒适性的指标，并给出可行的测量方法。

Thomae等人[3]的研究指出，82%～92%的直升机驾驶员都一定程度上受到因座椅引起的腰痛问题的困扰。通过分析人体坐姿情况下肌肉受力和脊柱受力可知，脊柱的L4-L5之间的压力是最主要的脊柱受力，位置如图1所示。该区域也是医学上腰椎间盘突出病症和腰肌劳损的多发位置。大量医学报告指出，上述病症是造成腰痛的重要因素，这也进一步印证了在座椅参数设计中需考虑座椅舒适性的必要性。

图1 坐姿人体脊椎示意图

目前针对直升机驾驶员座椅舒适性的研究普遍集中在力学仿真和基于人体工程学的尺寸优化，通过建立人椅交互力学模型，分析了座椅的各参数对舒适性的影响[4]，然而尚缺少对于座椅本身材料属性等性质对人体舒适性影响的研究，无法定量考核座椅的实际效能。上述问题严重制约了座椅的设计和择优,因此仍需针对驾驶员座椅的舒适性指标进行深入的分析讨论和获取。

1 舒适性指标选取和量化

为了明确直升机驾驶员座椅各参数对舒适性的影响，考虑到实际设计生产的可行性，本文通过分析人椅之间的作用关系，将驾驶员座椅分解为坐垫、背靠、腰靠和头靠四个主要区域进行研究。针对不同区域的关键影响因素进行剖析，判断每个影响因素的作用机理和量化方法，给出合理的测量区间，以及可行的测量方法。

1.1 座椅坐垫

当人体在坐姿状态下接触刚性平面时，实际上只有臀部的两块坐骨结节及其上少量的肌肉与平面作用，人体重的75%左右由约25 cm2的坐骨周围部位承受。当使用坐垫后，身体能够适应地陷入坐垫，从而将小面积的集中载荷转换为坐垫上的分布载荷，有效降低坐骨结节处受力，提升舒适性。

坐垫主要由两部分材料组成，即内发泡材料(内芯)和外包装材料(椅垫罩)。内发泡材料主要起到支撑和包裹人体、传递载荷和吸收振动等作用。外包装材料主要起到防磨、防火和改善透气性等作用。座椅坐垫与人体之间的主要作用关系为挤压、接触和摩擦，据此可知，坐垫的舒适性关键指标为：软硬度、透气性和摩擦系数。

1.1.1 软硬度

当驾驶员坐在座椅上飞行时，腰臀部和大腿下侧在座椅的挤压力作用下会产生变形，从而压迫皮下组织导致血流不畅，引起局部缺血。人体为保证局部的供血充足，会增加毛细血管的血流量，进而引起局部红肿，长期如此则会造成压力区的软组织损伤，产生疼痛。

当坐垫较硬时，人椅接触面积小，局部组织受力大，更易造成疼痛。当座椅垫较软时，尽管增大了人椅接触面，减少了局部疼痛，但过软的坐垫会限制驾驶员腿部动作，影响飞行安全性，且硬度不够的坐垫无法有效传递压力，反而加重了坐骨结节处的受力。

通过分析人体与坐垫的作用关系可知，压力分布最大的区域应为人体坐骨结节处。根据GJB 2873-1997《军事装备和设施的人机工程设计准则》，选取质量较大的第95百分位体重的飞行员作为研究对象，考虑衣服及装备的重量，取1名驾驶员体重为90 kg。在上文中已知，座椅垫越硬局部受力越大。为明确座椅垫硬度上限，参考装型[2012] 88号文件《718工程飞行员防护救生装备舒适性评价指标和方法》中对人体坐姿局部载荷的限制要求，当具有第95百分位体重的驾驶员乘坐座椅时，座面坐骨结节处的压力分布应最大且不大于3.0 N/cm2。

目前，坐垫使用的内发泡材料主要有高回弹聚氨酯发泡软垫等高密度高回弹泡沫材料。设材料泊松比为v，弹性模量为E，坐垫下陷高度为h，人体质量为m，并假设：

①人体质量全部作用在坐垫上；

②材料无加工硬化；

③坐骨结节处近似为一球面，半径为R，面积为S；

④坐骨结节处承受75%的重量。

根据HerZ接触理论，接触区的压力分布为抛物线形：

(1)

式中，P0为接触中心处的最大压力，r为接触点距接触中心的径向距离。

对上式中的r进行积分，得到接触区合力为：

(2)

接触半径a的表达式为：

(3)

式中E*为等效弹性模量，其表达式为：

(4)

式中，E和Ei分别为人体和坐垫的弹性模量，v和vi为二者的泊松比。

在上文中已述，人体坐骨结节处软组织较少，骨头与软组织和坐垫相比可假设为刚体。材料的等效模量仅保留坐垫的弹性模量Ei。

化简上述公式可得，接触力F、最大接触压力P0，接触半径a与压入深度h之间的关系分别为：

(5)

(6)

(7)

人体和坐垫之间的接触面积为：

(8)

考虑直升机驾驶员的操作可达性，坐垫的下陷高度h根据经验取不超过15 mm，参考GJB 4856-2003取95%百分位人体坐姿臀宽的1/4作为接触半径a，坐垫的设计限制应为：

F≥mg

(9)

P0≤30kPa

(10)

将上述数据代入公式(5)-(10)中解得：

(11)

(12)

S=0.0156m2=156cm2

(13)

联立公式(11)和(12)可得：

(14)

分析公式(13)可知，使用坐垫后，相较于前文所述的坐骨结节处人体尺寸，座椅垫有效增加了人体与座椅之间的接触面积，从而将人体重量分布至座椅面上，避免臀部因长时间受到较大压力的作用而产生疼痛感。

公式(14)给出了坐垫材料系数的选择范围，材料的泊松比和弹性模量需满足公式中的上下限要求才能既保证坐垫承重后下陷量不超过15 mm，又保证坐垫最大压力处不超过人体耐受极限，同时满足直升机驾驶员座椅的功能性和舒适性要求。

1.1.2 透气性

座椅的温湿度特性也是座椅舒适性评价的重要影响因素。研究表明，当人体皮肤置于40%～60%的湿度环境时，代谢量较小，舒适感较好。当局部湿度增加时，皮肤呼吸不畅，疲劳感会加速形成。

影响驾驶员座椅湿度特性的关键指标为坐垫的透气性。坐垫的内发泡材料主要为疏松多孔型的材料，透气性良好，因此影响坐垫透气性的主要影响因素为外包装材料，即椅垫罩的材质。常用的椅垫罩材质包括皮革类、织物绒布类和人造材质类等。根据直升机技战术要求，驾驶员座椅需满足CCAR-29R2《运输类旋翼航空器适航规定》中第853(a)条的阻燃性技术要求，真皮、人造皮革、易燃编织物等均不能作为坐垫罩的材料。因此，在材料选取时，需要寻找同时满足透气性要求和阻燃性要求的织物材料。

刘林玉[5]等人对12种不同阻燃织物的物理特性进行了研究，通过热防护性能(TPP Thermal Protective Performance)试验对试样的阻燃性能进行了评定，如下式所示：

TPP=t2×q

(15)

式中，t2为引起2度烧伤的所需的时间(s)，q为系统设定的对流辐射热流量，单位为kw/m。

试验结果表明，采用以棉为主，辅以聚酰胺纤维的织物阻燃性能最好。但阻燃性与透气性之间呈现负相关关系。这是由于织物的阻燃防护性主要是通过透气率实现，透气率低时热量更不易在织物中传递。其一元线性回归模型为：

TPP=11.774-0.002×λ

(16)

式中，λ为材料的透气率。

根据物体辐射换热公式：

Q=X1,2A1(Eb1-Eb2)

(17)

X1,2为两物体的角系数，查表可得约为0.05，A1为辐射体表面积，Eb1和Eb2分别为两物体间的热辐射系数。

构建两物体间的辐射换热系统，考虑热量散失，则两物体间的辐射换热量为：

(18)

式中，ε为材料的热发射率。根据直升机驾驶舱材料及结构特征，假定情景为驾驶舱内饰起火，起火面积为0.5 m2，火焰温度200 ℃，火焰未直接灼烧座椅，取ε=0.77，环境温度25 ℃。则对流辐射热流量约为：

q=162.294 w/m2

(19)

驾驶员的处理时间不大于30 s，因此材料的TPP值应不小于4.869 kw/m。取安全系数2，则TPP应不小于9.74。据此可算得，材料的透气率可设计为：

λ≤1.018 m/s

(20)

在此基础上，坐垫布罩透气率与1.018越接近，座椅的舒适性越强。

上述关于透气率的计算给出了一种驾驶员座椅坐垫透气性设计的思路和实现方法。部分参数仍需根据不同直升机驾驶舱实际工况，结合试验进行调整和参数标定，有针对性地获取不同直升机型号的座椅垫材料透气性设计区间。

1.1.3 摩擦系数

美军曾在运输兵舒适性调查研究工作中发现，采用摩擦系数较大的座椅垫能够有效提升运输兵的乘坐舒适性。为探究其原因，建立如图2所示的驾驶员受力分析图。

图2 驾驶员受力情况

当驾驶员靠向座椅靠背时，人体臀部和座椅的接触面会产生一个切向力，该切向力随靠背角增大而增大。该切向力会与座面的摩擦力相抵消。当摩擦系数较小时，座面产生的摩擦力不足以抵消人体的切向力，驾驶员需要调动腰腹部和小腿肌肉来弥补缺少的反作用力，以防从座椅上滑下。当驾驶员无需调动腰腹力量支撑自身时，存在如下力学关系：

(21)

Ff=μFn2

(22)

f=μFn1

(23)

Ff+fsinθ=Fn1cosθ

(24)

Fn2+fcosθ+Fn1sinθ+Fn3=mg

(25)

联立公式(21)-(25)，根据GJB3838和GJB4856给出l、b和a的参考值，假设人腿分担重量系数为x，则坐垫摩擦系数需满足：

(26)

取x=0.20，θ=15°代入数据验证，μ的取值范围有：

0.21≤μ≤1.33

(27)

在假设条件下，应取0.3以上摩擦系数的织物类坐垫布罩以满足直升机驾驶员舒适性要求。尽可能不使用竹子或玉石等摩擦系数小于0.2的凉席或坐垫罩。

尽管增大坐垫摩擦系数能够显著抑制驾驶员下滑的趋势，减轻腰腹部肌肉紧绷感，提升舒适性，然而摩擦系数大的材料普遍弹性差，硬度大，降低座椅舒适性。摩擦系数大的材料磨蚀作用更强，寿命相对较低。考虑到直升机驾驶员座椅中，座椅垫的使用寿命一般为5到7年，即1500～2100飞行小时(Fh)。设每Fh内的摩擦次数为60次，参考汽车行业标准GMW14364对座椅垫寿命的耐久性的考核试验，取耐久系数1.33，则其寿命需保证不少于11172次摩擦。

设材料抗拉强度为δ，材料截面积为s，加载力为Fn，单次材料去除量为n。若满足寿命期内布罩不损坏，则需摩擦系数μ满足：

μFn≤δ(s-lnN)

(28)

参考韩强等人[6-7]材料去除建模的研究，设材料量纲磨损系数为K，材料硬度为σ，则单次材料去除量厚度n存在如下关系：

(29)

参考常用的聚酯纤维材料，设材料宽度l为20 cm，厚度0.5 mm，取K=1.5×10-3，带入其他相同假设解得μ的取值范围极大。在假设条件下，坐垫布罩设计寿命范围内不应发生因摩擦导致的破损。

综上所述，直升机座椅的椅垫布罩摩擦系数应满足公式(27)所述区间。

除了上述量化指标外，根据人体工程学原理，座椅垫与人体的贴合程度越高，人员乘坐的舒适性越强。因此，座椅垫设计时应合理设置凹凸曲面，尽量与标准人体坐姿下的背部、腰部和臀部曲线相贴合。

1.2 座椅背靠

使用靠背能够极大地减轻人体受到的载荷作用。研究表明，有靠背的座椅相较于无靠背座椅能够减少至少20%的腰背部压力。通过对座椅背靠进行分析可知，座椅背靠主要的量化指标包括长度、宽度和靠背角度。其中，长度和宽度在设计时可参照GB14774《工作座椅一般人类工效学要求》相关内容进行选取，而靠背角度作为显著的可量化参数尚无明确的标准对其进行约束。为此本节将以直升机驾驶员座椅的靠背角作为研究对象进行深入讨论。

在碰撞研究中发现[8]，在正面碰撞中，座椅靠背角增大会导致约束系统效果下降，人体更易向下窜动，引发腰部损伤，即靠背角增大，驾驶员安全性下降，不能选取较大的靠背角。与之对应的，有研究表明，在90°～105°靠背角范围内，人的腰椎受力会随座椅靠背角增大而减小，即靠背角增大，舒适性增强。因此，需要给定一个合理的靠背角范围，同时满足座椅的安全性要求和舒适性要求。目前几种现役直升机驾驶员座椅的靠背角或调节范围如表2所示。表中还列出了外场反馈的该座椅舒适度反馈情况。

由表1可以看出，靠背角大于95°时座椅舒适度得到了有效改善。因此在进行靠背角设计时，应使直升机靠背角大于95°。

表1 现役直升机驾驶员座椅靠背角及舒适性

屈文涛[9]等人对座椅前冲条件下座椅靠背角与安全性的关联研究表明，过大的座椅靠背角会显著增加前向冲击时的人体脊柱损伤概率。根据上文中对座椅摩擦系数的研究，公式(26)取材料摩擦系数μ=0.2，人腿分担重量系数为x=0.20，则靠背角θ需满足：

75°≤θ≤107.2°

(30)

设计时，为方便加工设计，且考虑到材料摩擦系数不会取得过小，可规定靠背角上限为110°。综上所述，座椅靠背角的取值范围应控制为：

95°≤θ≤110°

(31)

1.3 座椅腰靠

腰靠主要配置在座椅背靠上，负责对驾驶员腰部提供额外支撑。参考GJB4856《中国男性飞行员人体尺寸》中坐姿尺寸和GB14774《工作座椅一般人类工效学要求》，考虑材料的变形回弹得出腰靠的尺寸应满足的要求，见表2。

表2 腰靠尺寸范围

不同百分位直升机驾驶员对腰靠的实际需求存在着显著差异，仅设定一种固定尺寸的腰靠难以满足不同驾驶员的实际需要。因此，直升机驾驶员座椅腰靠需要具备调节功能。

1.4 座椅头靠

直升机驾驶员座椅头靠的主要作用包括对头部的支撑和减轻坠毁时的反向冲击。因座椅背靠承担了驾驶员主要的倾转载荷，座椅头靠与驾驶员之间的相互作用不显著，座椅头靠的性能对舒适性无显著影响。但在承受反向冲击方面，当直升机发生沿航向动态冲击后，人员头部在惯性和安全带的双重作用下，呈现先向前后向后的运动轨迹，在返回时头部会撞击在座椅头靠上，抑制颈椎产生较大扭转。参考GB11550，驾驶员座椅头靠静强度需满足：在头靠顶部下65 mm处施加890 N的力，头靠的位移不能超过80 mm。头靠的动态冲击强度需满足：使重6.8 kg、直径为165 mm的假头以大于24.1 km/h的相对速度冲击头枕，头枕骨架没有结构性损坏。

综上所述，座椅头靠相较于坐垫，与驾驶员的交互作用较少，仅起到辅助支撑作用，因此对驾驶员的舒适性影响也较弱。在设计制造时主要考虑满足强度要求，头靠柔性填充材料选用与坐垫相同材料即可满足要求。