飞机应急着陆人体损伤评价方法研究

王 玖，林 荣，陈晓峰，旷 刚，姚小虎，李志强

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610092；2.东莞理工学院，广东 东莞 523808；3.华南理工大学土木与交通学院，广州 510641；4.太原理工大学 机械与运载工程学院，应用力学研究所，太原 030024)

设计合理的座椅及其约束系统、安装支撑结构是降低航空事故死亡率的有效手段。LILLEHEI et al[1]和LI et al[2]的研究结果显示，若是飞机上的座椅与约束系统设计得更为科学，则能减少飞行事故中高达20%的死亡率。在适航规定及相关通告中，均对座椅及其约束系统的设计有明确规定。根据《正常类、实用类、科技类和通勤类飞机适航规定(CCAR-23R3)》[3]的要求，在这些飞机上为旅客、机组人员提供的座椅与约束系统，都需要严格按照规定要求开展动力试验并通过标准要求，后者通过满足动力试验要求的合理分析来给予证明。AC25.562-1B[4]要求，在进行动力试验时，座椅的所有调节控制装置都应调到与第50百分位假人相对应的位置，以此作为座椅的试验状态。为了确定与第50百分位假人相对应的座椅位置，需辅以能从整体上反映人体损伤的判据。在得到可靠的人体损伤判据后，可通过飞机结构的坠撞数值模拟方法，计算得到相对应的可接受极限坠撞速度[5]；同时也可以研究结构构型、结构重量等参数对民机结构抗坠性能的影响，提出提高民机适坠性的设计思路与结构抗坠优化设计方案[6-7]。

常用的人体损伤判据大多反映了人体局部区域的损伤情况。如头部伤害判据(head injury criterion，HIC)，主要评价头部损伤，颈部损伤预测值Nij(Neck Injury Predictor)用于评价颈部损伤，胸腔压缩量(Compressive Deflection)和胸部3 ms准则(Chest 3 ms Criterion)用于评价胸部损伤。Viano和Arepally(1990)[8]在研究中借助于加权因子，进而给出了加权伤害判据，简称为WIC.不过这个判据是利用汽车事故的人体损伤数据来分析获取，很难应用于航空事故领域。

因此，提出适用于通用飞机的综合人体损伤判据，对于提高飞机座椅及其约束系统、安装支撑结构或其他增强型设备的安全性、提高试验水平具有现实意义。

1 飞机致命事故人员损伤分析

当前，美国通用飞机坠毁事故占比最高，达到70%～80%，相较于客运飞机而言，每10万飞行小时的事故率高出8倍，已有多年没有多大优化[9]。2002年，WIEGMANN et al[10]以美国联邦航管局(简称FAA)提供的通用飞机坠毁报告数据为基础，时间跨度为1996-1999年，报告数量多达559份，通过分析得出，溺亡、烧伤致死、多发性挫伤致死的比例分别为3.6%、3.9%和86%[10]。这意味着后一种因素是导致死亡的关键原因。

这种致死原因主要涉及到器官损伤与骨折。在这种事故中，表1给出了当前最为常见的骨折表[9]。

由表1可见，肋骨、颅骨、面骨受损的比例依次为72.3%、55.1%和49.4%，而胫骨、骨盆受损的比例则依次为37.9%和36.0%.

表1 常见骨折比例Table 1 Percentage of common bony injuries %

最常见的器官损伤及频率如表2所示[10]。其中心、肺、肝、脾这几种脏腑器官出现撕裂损伤的几率整体较高，对应的比例分别为35.6%、37.6%、48.1%和30.1%，此外，还涉及到脑出血损伤，比率高达33.3%.

表2 常见器官损伤比例Table 2 Percentage of common organ injuries %

以上统计结果表明，下肢、胸、头等是出现多发性损伤频次最高的部位，在对应急着陆人体损伤进行评价时，应包含对这3个区域的分析。

2 综合损伤判据

2.1 损伤评价项目及性能指标

按照人体不同部位在这类事故中的损伤特点，可以将其细分成头、胸、颈、下肢、脊椎(不含颈椎)部位，然后再对其进行相应的评价。

上文所提到的HIC，就是目前应用最为广泛的头部伤害判据。它由VERSACE[8]在1971年提出，并于1972年取代GSI(gadd severity index)作为FMVSS[11]头部损伤评价指标。虽然HIC存在没有考虑头部角运动所引起的损伤等局限性，但目前看来，该判据在头部损伤评价领域仍最为有效。它是基于头部重心部位的合成加速度，并在一定时间范围之内通过积分来获取，具体算式如下：

(1)

式中：时间范围从T0至TE，后者为冲击结束时间；a(t)对应的就是该重心部位的合成线加速度，具体是通过g(重力加速度)倍数来进行表示；HIC值达到最大时的起、止时间，分别为t1和t2.在具体运用过程中，这个时间间隔一般不会超过36 ms，而HIC36则不能大于1 000；当t1与t2的间隔不超过15 ms时，HIC15不得超过700.

飞机坠毁之时，人体遭受的损伤涉及到两个过程，一个是硬接触带来的损伤，一个是减加速度带来的损伤[12]。前一种对应的荷载具有集中性，通常是基于撞击点而产生的局部性损伤；后一种则是因为人体组织应对减加速度时会产生损伤反映，而且损伤部位与减加速度实施区域有一定距离。虽然韦恩头部损伤极限曲线(简称WSTC)同样是以HIC为基础，利用头部撞击引起的颅骨骨折提出这样的曲线，不过HIC依然可以应用于减加速度导致的头部损伤评价。阮世捷等[13]将脑组织应力用作头部损伤判断的生理学基础，依次对比头部在这两种损伤条件下的HIC适应性。结果得出，在头部损伤水平一致时，减加速度相较于硬接触条件而言，HIC值稍大，不过两者的差异不是十分显著，可以被接受。当前，欧洲新车安全评价规程(EURO-NCAP)[14]就将减加速度峰值大于80倍的重力加速度，视作硬接触。朱鲜飞[15]为了评估乘客在坠撞过程中的损伤程度，提出了以乘客伤害风险概率和损伤等级来评价乘员伤害的综合评估方法，并通过动力学模型计算，给出了HIC、乘客伤亡率与水平冲击速度之间的关系曲线。

倘若使用HIC来对座椅及其约束系统的头部保护功能进行判定，分析是不是满足相关规定，而不是分析导致头部损伤的水平与概率，那么只需要对硬接触情形进行考虑[16]。

下肢是多发性挫伤出现频率较高的区域，胫骨的损伤一般使用胫骨指数Ti(Tibia Index)进行评价，其计算公式为：

(2)

CCAR-23R3中的23.562条款明确表示，颈部(Neck)需要被视作独立评价项目，因此评价项目中的脊椎(Spine)只包含胸椎、腰椎和骶椎3部分。

使用颈部损伤预测值Nij来评价颈部损伤，其计算公式为：

(3)

式中：弯矩与轴向力分别使用My、Fz表示，它们需要借助于假人颈部上端所明确的测量模块来获取，在后者表现为拉力时，其最大值用Fz,max表示，对应值为6 806 N；若其表现为压力，对应值则为6 160 N.若是枕骨骨节产生弯曲弯矩，即颈部向前弯曲，此时My值就可以设置为310 N·m，若对应的是伸展弯曲，则是颈部朝后弯曲，此时该值为135 N·m，用My,c表示。根据FMVSS 208的规定，无论哪个时间节点，Nij的值均不能大于1.

对于脊椎而言，当前还没有得到普遍应用的损伤评价方法。为了防范脊椎在坠毁事故中产生压缩性骨折问题，根据上文的23.562条款，可以知晓腰椎与骨盆的压缩荷载不能大于6 680 N.

表3详细列出了身体各部位评价项目及其性能指标。

表3 身体各部位评价项目Table 3 Assessment items of various body regions

2.2 综合损伤判据

根据所选报告数据统计分析结果可知，旅客致命的损伤部位有着颇广的分布，而且形式种类较多，其中胸、头部损伤问题最为复杂，也是致命的主要部位，为此，有必要对这两个部位的损伤评价生理学依据进行综合，遴选相应的损伤种类，并将其作为统计项目。

头部的损伤统计项目主要为面骨骨折，或者为颅骨骨折。临床证实，颅骨骨折(Skull fracture)与脑震荡(Cerebral concussion)之间有直接的关系[14]，面骨骨折(Facial fracture)与颅内出血(Brain hemorrhage)、脑裂伤(Brain laceration)有直接相关性。在脑部出现撕脱伤(Avulsion)、裂伤(Laceration)、挫伤(Contusion)及脑干横断损伤(Brain stem transection)的统计案例中，很多都出现了面骨或者颅骨骨折[10]。

胸部损伤的统计项目包括肋骨骨折(Rib fracture)和胸骨骨折(Sternum fracture)。在坠毁事故或者应急着陆过程中，因为安全带的约束效应，会让人体胸部产生极大冲击力，为此，肋骨骨折发生率最高，占比高达72.3%，与肋骨结合的胸骨骨折也有较高频率，达到28.4%[10]。虽然被胸腔包裹的肝脾肺等脏腑器官，也有较高的受伤频率，详细可参见表2，不过根据统计结果显示，这些器官的受伤与肋骨骨折关系密切(肝[χ2(N=559,1)=61.847,P<0.001]，肺[χ2(N=559,1)=44.593,P<0.001]，脾[χ2(N=559,1)=23.618,P<0.001][7]).因此，对于胸部损伤而言，完全可以将肋骨骨折作为其核心统计项目，它已经对脏腑器官损伤问题进行了包括。

身体各评价部位损伤统计及归一化系数如表4所示。

表4 身体各评价部位损伤统计Table 4 Injury statistics of evaluative body region

根据损伤统计归一化系数以及不同身体部位所对应的损伤判据，构造综合损伤判据GIC(general injury criterion)如式(4)所示：

(4)

由此构造的GIC，就能对人体整体受损几率进行表示，其值越低，意味着人体遭受损伤的几率越低。为此，通过该参数就能评价座椅与约束系统的防护功能，进而有助于增强防护设备的相关开发与试验工作。

3 GIC在座椅水平动力试验中的应用

运用GIC可以对人体受伤几率进行评价，以下以某通用飞机为对象，借助于该参数来开展座椅水平动力试验，从而为其试验状态的明确提供重要的理论支持[20-22]。值得注意的是，本文提出的GIC是基于飞机坠毁报告数据，而飞机座椅水平动力试验虽然与飞机坠毁的工况有较大区别，但人体各器官和整体受到的损伤情况是较为相似的。另外，基于坠毁数据提出的GIC应用于应急着陆试验中会相对保守，但可以为明确试验中的座椅状态提供较为可靠的依据。

首先，根据该飞机实情，构建机舱、驾驶员座椅立体模型，然后导入假人，进一步构建三点式约束系统，如图1所示展现了人机系统的有限元模型。

图1 某型飞机人机系统有限元模型Fig.1 Finite element model of dummy-plane system

根据CCAR-23R3文件中的23.562条明确的应急着陆动态要求，以及AC25.562-1B中的要求，提供仿真输入条件。其中碰撞初速度为12.8 m/s，飞机向左偏航10°；在冲击之后50 ms时出现最大的负加速度，达到26g，加速度脉冲波形如图2所示，图中，tr=50 ms，gmin=26g.

图2 加速度脉冲波形Fig.2 Acceleration pulse waveform

驾驶员座椅可以前后调节，为了便于分析，由前至后的编码分别为6#至1#.各个位置除了座椅前后位置不同外其他状态、计算参数均相同。

运用有限元系统LS-DYNA开展本次的仿真分析，获得不同位置、脊柱与骨盆的压缩载荷等信息，具体详细情况可参见表5.

由表5可见，各位置HIC36、安全带载荷、骨盆和腰脊柱之间的压缩载荷均符合CCAR-23R3第23.562条的相关规定。其中，对于HIC36来说，最大值与次大值的位置依次为3#和4#，分别达到796和730.其头部重心合加速度曲线，如图3所示。虽然其位置不同，对应的值也有差异，然而头部加速度响应情况基本相似。

表5 适航规定指标仿真计算结果Table 5 Simulation results of index in airworthiness standards

图3 头部重心合加速度曲线Fig.3 Resultant acceleration diagram of head center of gravity

在图4中，展示了在撞击不同时间节点下，3#，4#位置的假人姿态变化情况，从中可以进一步发现，在撞击环节，假人头部并没有和机舱相关部位产生硬碰撞，安全带始终处于假人骨盆之上，而且肩带也维持在肩上，因此可以符合CCAR-23所提出的要求。

图4 受撞击情况下不同时间节点3#、4#位置假人运动姿态Fig.4 Moving posture of dummy

为了对座椅试验状态进行科学性的明确，需要算出将座椅调节到不同位置，假人的GIC值，由此评价人体的严重受伤几率。计算得到水平动态试验过程中假人头部、颈部、脊椎、胸部、下肢各部位的判据值如表6所示。

虽然根据HIC判据，3#位置对应值最大，然而，Nij值则是在4#位置达到最高。冲击过程中3#、4#位置颈部损伤预测值曲线如图5所示。在碰撞发生后92 ms时，Nij达到最大。对比图3可知，此时间节点与HIC峰值出现时间节点基本上保持一致。

图5 颈部损伤预测值NijFig.5 Neck injury predictor Nij

将表6中的有关数据代入到式(4)，就能获得座椅前后位置的GIC值，具体可参见表7.

表6 假人各部位判据仿真计算结果Table 6 Simulation results of criterion of various region of dummy

表7 座椅不同位置GIC值Table 7 GIC for various seat positions

比较座椅前后滑动区间内各位置的GIC可知，其中4#位置的值最高，达到1.71，这意味着，在此位置上，人体受到严重伤害的几率最大。

根据以上计算可以得出，HIC在3#位置上对应的是极大值，意味着在此位置上，人体头部遭受严重伤害的几率最高。但是在4#位置上，人体腰椎压缩载荷、颈、胸部位的压缩量等，都要超过3#位置，这意味着人体整体受伤的几率要高于3#位置。由于各位置HIC、腰椎压缩荷载等均满足CCAR-23R3第23.562条的要求，颈部、胸部压缩量、胸部3 ms准则及下肢各判据均满足低性能要求，而4#位置GIC最大，因此，使用4#位置进行驾驶员座椅的水平动力试验。

4 结论

本文基于通用飞机坠毁事故的人体调查报告统计数据，对致死航空事故中人体不同部位出现损伤的频率和致命程度进行了分析。并通过对人体不同器官受外部冲击的承受能力的综合考虑，结合常用损伤判据，最终提出了以归一化为基础的综合损伤判据——GIC.然后针对某轻型水陆两栖飞机适航认证座椅动力试验，选用了有限元软件系统LS-DYNA，完成该试验的仿真分析，利用本次开发的GIC来分析在不同座椅位置下，人体受到严重伤害的几率，提出了该型号飞机合理的座椅试验状态。模拟结果表明，随着座椅位置的改变，HIC值和GIC值的变化趋势并不相同。虽然HIC在座椅处于3#位置时最大，但在4#位置上GIC最大，说明人体整体受伤的几率要大于3#位置，计算结果也显示此时人体腰椎压缩荷载、颈、胸部的压缩量均比3#位置大。这也证明GIC能够对人体受到严重伤害的几率进行整体性评价。本文提出的人体综合损伤判据GIC及其在飞机坠撞模拟分析中的应用方法，将对飞机的座椅、约束系统及防护设备的抗坠优化设计及验证试验提供有力的支撑。