军用车辆座椅减振抗爆技术研究现状与发展趋势(军用车辆乘载员减振抗爆座椅设计技术研究系列一)

汪国胜，雷强顺，曹宇，张伟杰，李桂兵

(1.湖南科技大学 机电工程学院， 湖南 湘潭 411201； 2.中国北方车辆研究所 底盘部件技术部， 北京 100072)

0 引言

坦克装甲车辆乘员在作战或训练过程中要实现高强度高灵敏度地驾驶与操纵、瞄准与射击等作战任务，不仅承受着长时间工作姿态不良带来的身体慢性损伤与不佳感受，还长期承受着来自路面颠簸引起的随机振动与低幅冲击；在真正的战场上，更要面临着来自车体底部地雷及简易爆炸物爆炸引起的巨幅冲击。当前我国在役的主战坦克大多数基本没有装备具有减振抗爆性能的专用座椅，长时间随机振动或低幅冲击不仅加剧了坐姿不良对坦克乘员人体健康造成的身体损伤，还极大地影响着乘员的乘坐舒适性、操纵灵敏度、观瞄效能，直接影响工效与行进间射击精度；而地雷爆炸等巨幅冲击会直接危及乘员的生命安全。因此，坦克装甲车辆座椅是影响乘载员身体健康与战斗力发挥的重要因素之一。

本文首先分析军用车辆座椅性能对乘载员身体健康及军用车辆战斗力的影响，再对国内外军用车辆乘载员座椅的研究现状与研究进展进行了分析，最后分析得出军用车辆乘载员座椅的功能需求与研究趋势、发展方向与关键技术，为国内军用车辆减振抗爆座椅研究提出了方向性指导。

1 军用车辆乘载员座椅的作用与重要性

乘载员座椅性能对乘载员身体健康及军用车辆战斗力的影响主要表现在以下几个方面。

1.1 座椅对乘载员身体健康的影响

解放军159医院骨科在2002年对某部坦克部队从事坦克专业的干部、战士(共552人)身体健康状况进行了调查统计，调查对象均为男性，年龄18～35岁，平均25.3岁。从事专业1～15年，平均4.38年。其中车长121人，驾驶员166人，一炮手138人，二炮手127人。统计发现：1)3年以上军龄的装甲兵中腰、膝、颈及肘等部位均发生了不同程度的病痛，其中以腰痛病在装甲兵中发病率最高；2)340人腰痛与工作姿势有关，占65.2%；122人腰痛与人车比例不适当有关，占22.1%；307人腰痛与振动冲击有关，占55.7%。

上述调查结果表明：振动与冲击是导致装甲兵职业腰痛病与操作工效下降的主要因素，工作环境是导致腰痛职业病的重要原因。

1.2 座椅对乘载员操纵效能的影响

相关研究表明：振动对人眼视觉功能的影响主要表现在低频区，其敏感频率范围垂直向为8～16 Hz、前后水平向(前后方向)为4～8 Hz；当受振频率大于45 Hz时，振动对人眼视觉功能的影响比较小。对于同样量级的振动，垂直方向的振动对人眼视觉功能的影响远比前后水平方向的影响要大。振动对人眼视觉功能的影响主要决定于眼与被识别目标之间相对振动量级的大小，相对振动量级越大其影响也越严重。由于装甲舱室与乘载员之间的相对振动，目标对象在人体眼视网膜成像模糊，导致仪表判读和精细分辨能力下降。有研究证明：视距小于1.5 m时，±0.15 mm的振幅即可引起视觉模糊；振动对视读能力的影响与视距有关，且随着视距的缩短，振动对视读能力的影响越大；振动引起视觉- 运动反应时延长及视读错误率增大，并可使视力下降和视野范围缩小，作业能力下降。

相关研究表明，即使座椅与观察界面同步振动，但当垂直向加权加速度达到0.5 m/s时，人体感觉出现不舒适，难以维持精确的操作。而多个型号坦克野外振动试验结果表明，当垂直向加权加速度达到0.65～0.70 m/s时，人在座椅上已难以坐稳，需要双手紧扶操纵台把手才能稳住身躯，此时乘员眼睛已很难抵在瞄准镜护额上，即使经过专业训练的炮手等乘员也很难进行相当精确的瞄准。由此可见，在当前坦克设计水平条件下，乘员乘坐舒适性是影响军用车辆射击精度与行进间射击车速的主要因素，也是限制因素。

振动对手动操作的影响，主要是由于振动降低了手的稳定性，从而使操作动作精确度变差，导致操作不协调，操作误差率增高；而且振幅越大，影响越大，如频率为1～10 Hz、加速度1 m/s的振动便可导致进行一般性操作过程中的明显操作误差。另外，国际标准ISO 2631关于全身振动评价指南表明，对人手振动敏感的频率范围为8～16 Hz，在此频率范围内振动，人体手部操作精度大受影响，复杂的手控系统及精细的手动操作更易受振动的影响，甚至在振动环境中无法完成。

1.3 座椅对乘载员生命安全的影响

战争表明坦克等军用车辆最大的危险是来自于路边的地雷及简易爆炸物(IED)。地雷及IED爆炸对车辆及人体的损伤不仅在于炮弹穿过厚重装甲在舱内形成的冲击压力波直接对人体生命安全造成威胁，乘载员更多的损伤来自于炮弹未穿透装甲而对车体及人体造成的巨大机械冲击波，地雷爆炸引起的巨大冲击波幅值一般处于1 000以上水平，在座椅位置引起的冲击加速度达到200以上。这种巨幅冲击对人体的损伤是广泛的，如美军坦克及装甲车在伊拉克及阿富汗战争中遭受了无处不在的IED的袭击，造成了巨大的人员伤亡及财产损失。

综上所述，座椅作为整个坦克装甲车辆人- 机界面的中心与关键部件，直接影响着装甲兵的身体健康、操纵效能与疲劳工效甚至生命安全，是军用车辆设计中需要重点关注的关键部件。

2 国内外军用车辆乘载员座椅研究情况

面对IED的威胁，人们早期的注意力集中在装甲防护上，这是可以理解的，因为在爆炸事件中，地雷和IED首先被视为车辆的威胁而不是乘员的威胁，避免车辆被穿透是最重要和最紧迫的要求。国外早在20世纪80年代就开始了坦克防地雷的防护设计。美国军方战地研究中心针对在伊拉克及阿富汗战争中遭受的地雷及IED袭击造成巨大的人员伤亡及财产损失，开始了防地雷反伏击车(MARP)的研制。MARP设计主要包括两个方面的研究：一是防地雷爆炸车体的改性设计或优化设计，包括车体构形优化及吸能材料结构的设计，主要用于防止装甲被穿透；另一个是防地雷爆炸座椅的抗爆设计，主要通过设计相应的吸能和缓冲结构，把座椅及乘员承受的冲击加速度限制在相对安全的范围内，以避免人员伤亡。

2.1 国外研究情况

多年来，国内外军用车辆乘载员座椅的研究主要集中于座椅的抗爆设计及抗爆吸能器研制，研究情况主要分为以下4种。

2.1.1 抗爆座椅

残酷的战争经验表明，吊装于车顶部的悬挂式乘载员座椅有利于乘员的冲击防护与减振。早期的成功设计是简单地将标准乘员座椅安装在车辆侧壁或顶部，以减小在爆炸中车辆底板变形而直接传递到士兵的冲击。目前，悬吊式抗爆乘载员座椅已成为轻型战术车辆的标准配置，如瑞士的锯脂鲤ⅢC装甲输送车、美国皮兰哈8×8Ⅳ轮式装甲车、法国VBCI步兵战车、阿联酋野隼、拉巴丹8×8步兵战车、阿联酋MSPV公司Panthera系列装甲车的乘员舱及乘载员座椅均按照防雷需要进行了精心设计。

图1所示为MARP车内的乘载员抗爆座椅，图2所示为采用V形防雷车体的美国MARP车，该车采用悬吊于车顶的吊装式乘载员座椅，使得整车防地雷爆炸防护设计达到一个新的水平，一时成为军用车辆防地雷设计的成功代表。

图1 MARP车内的乘载员抗爆座椅Fig.1 Anti-explosion seats for occupants in MARP

图2 MARP载员抗爆座椅安装效果图Fig.2 Installation effect drawing of MARP anti-explosion seat

悬挂式乘员座椅的另一典型产品是德国Autoflug公司的吊带式座椅(见图3)，该座椅的设计源自Autoflug公司多年从事降落伞技术的经历，其设计理念是把座椅悬挂在张紧的带有锁定卷筒的吊带上，并采用纺织物和绳索来进行安装，座椅采用6条织带固定于车体上，乘员通过四点式安全带与绑带固定在座椅上，保证肢体不会被爆炸振动而向上/向下运动，产生额外的损伤。由于底部巨大冲击传导到车顶时衰减较大，且悬吊在车顶部的绳索不像金属构件那样传递冲击力量，使士兵与车辆底部隔离，达到减振防冲击的目的。这种座椅较小的体积空间非常适合低矮型主战坦克，如德国豹2A7+坦克就给每位乘员配备了这种吊带式防地雷座椅。当地雷的爆炸冲击波发生时，这种座椅可有效约束乘载员，防止乘员被抛起、碰撞到车内壁或其他设备，将这种碰撞伤害降到最低。

图3 德国Autoflug公司吊带式座椅Fig.3 Germany Autoflu suspension seat

2.1.2 多次复用抗爆座椅

来自伊拉克和阿富汗的作战研究表明，随着车辆防护力与生存力的提高，伤亡人数已大幅度降低。但是，某些类型受伤害的人数实际上却在提高，而且爆炸二次效应所造成的死亡人数仍然高得惊人，甚至装有基础型抗爆座椅的车辆也是如此。已经认识到的最大问题之一是，车辆被炸飞起来后再次坠落时，由于座椅及其抗爆吸能装置损坏，导致座椅在第2次承受冲击时直接触底(甲板)使得乘员承受比第1次爆炸承担更大的冲击，这也是大多数装甲伤员在遭遇地雷时脊椎骨骨折的主要原因。这种情况主要针对轮式装甲战车或战术车辆，由于其质量较轻而更容易发生炸飞离地、再次跌落的危险，为避免这种情况发生，军用车辆乘载员座椅的抗爆结构要具备多次复用的功能。

针对坦克装甲车辆爆炸环境下乘载员的多次防护要求，美国陆军坦克机动车辆研究、发展与工程中心(TARDEC)研制了一种乘员防护型座椅(见图4)。该型座椅设计了一种加强的折弯线缆能量衰减(EA)系统，采用弹簧复位机制，能够在车辆被爆炸冲击波抛起加速以及回落减速过程中对乘员进行防护。EA线缆折弯装置完全如预期地运行。美国陆军坦克机动车辆研究、发展与工程中心组织开展的抗爆试验表明，滑轮或EA线缆没有出现任何问题，且具有以下良好特性：

图4 TARDEC乘员防护型座椅及其能量吸收机构图Fig.4 TARDEC occupant protective seat and its energy absorption mechanism

1)弹簧的往复和棘轮装置的运转在试验中均表现良好。

2)在车辆遭受初始冲击之后，该座椅的特点是能够进行调谐并在约0.2 s时间内做好迎接第2次冲击的准备。

3)弹开式弹簧夹的功能与预期的相同。根据演示，弹簧夹可在车辆遭受第1次撞击之后重新啮合，因此在遭受第2次撞击时同样具备抗爆吸能功能。

4)在加速度299.5的冲击试验中测得，该装置座椅坐板上的冲击加速度为63.6，明确证实了该装置可为车辆提供遭受两次水平相当的冲击事件的防护能力(座椅在没有经过调节或替换EA线缆的情况下连续遭受两次坠落)。

5)试验设备在经受30次冲击试验后，仅有轻微损伤，清楚地证明了该设计方案的鲁棒性。

图5 TARDEC乘员防护型座椅冲击试验曲线Fig.5 Impact test curves of TARDEC occupant protective seat

2.1.3 质量自适应抗爆座椅

美军从伊拉克与阿富汉战争中认识到，美军军车采用的抗爆座椅型式、抗爆效果与性能还有两个问题。其一是“一种规格适用所有乘员”的座椅设计方式证明是不成功的：高体重的士兵存在防护不足的危险，这是因为在同样吸能结构与同样抗爆行程内，高体重的士兵在抗爆过程中更可能导致座椅触底，从而引起更大的冲击，已制造完成且吸能参数确定的机械吸能器件无法为高体重的士兵吸收更多的冲击能量。其二是抗爆座椅必须具备一定的减振性能：军用车辆行驶的路面多为路况不好的越野路面，乘载员承受的振动与低幅冲击较大，对乘载员身体的慢性损伤也较大。这一点与我军多年来的坦克兵身体损伤情况完全一致：长期的振动与冲击极易造成装甲兵腰痛病、颈椎病，而仅靠坐垫实现减振则难以满足乘载员的乘坐舒适性要求。

为解决这两个问题，QinetiQ北美公司在其BlastRide座椅(见图6)中引入了气囊式质量调节机构，使乘员能够根据自身的质量自动操纵控制杆来设置衰减气囊、实现座椅坐高与抗爆行程的无级调节，防止因体重增加导致抗爆行程减小而引发座椅触底。此外，气囊静态支撑力压力(等于气囊压力乘以其横截面积的积值)与质重量 (×)相等，其静刚度系数与乘载员体重变化方向一致且呈正比，使得系统固有频率变化很小，系统减振性能不因乘员体重变化而变化，具备质量自适应减振的高级功能。但是当乘员体重增加时，气体容积(通过充气)增加引起的吸能量增量有限，不足以缓冲200以上的冲击加速度条件下体重增量所需要的缓冲能量。因此，这种质量调节机构只具备质量自适应的减振功能，不具备质量自适应的抗爆功能。爆炸试验证明，在抗爆行程富足的条件下，这种座椅使用的气囊式减振技术能够将乘员脊柱和骨盆所感受到的载荷水平从350减少到20(可生存下来的载荷水平)；另外，该气囊系统的复原功能可以防御主要(爆炸)以及次要(速降)脉冲，能够在多次冲击中为乘员提供多次冲击防护，具备多次复用抗爆功能；再次，该类座椅可以为乘载员提供性能优越的减振性能。座椅的人体工程设计可提供乘坐舒适性、载荷规划。

图6 BlastRide新型爆炸气囊衰减座椅[35]Fig.6 BlastRide airbag explosion-attenuation seat[35]

分析表明，该型充放气式减振抗爆座椅的抗爆功能实现需要一个较大的抗爆行程，在高度空间充足的轮式车辆上使用是合适的，但外形低矮的坦克上使用往往会因抗爆行程不足而导致触底。

2.1.4 磁流变减振抗爆座椅

由于磁流变减振器具备优良快速的变阻尼与易可控性能，国际上有很多学者研制了磁流变减振器装备到民用汽车座椅上，以实现高效减振功能；也有国外研究人员把它成功应用于军用车辆悬挂与乘员座椅上。美国GSS公司根据这种材料特性，与美国TSI公司合作开发了第2代磁流变减振器，装备于军用车辆座椅(见图7)。

图7 GSS公司研制的减振抗爆座椅Fig.7 Anti-explosion seat developed by GSS Company

这种座椅以自适应磁流变能量吸收技术为基础，通过按钮实现座椅不同软、硬的“乘坐”效果，即通过让不同电流通过一个带金属添加物的磁流变减振器，即可根据需要来瞬时提高或降低阻尼以实现抗冲击防护功能。美国GSS公司表示还将推出一种新型减振抗爆座椅系统，它能够根据乘员的质量进行调节，以同时适应减振与抗爆功能，并设计成可重复使用。这项技术现正在用来改进美国海军陆战队的EFV远征战车，而GSS公司的其他座椅已安装到美国的轻型和重型战术车辆系列产品和MRAP型车辆上。但从美军及国内外磁流变悬架的使用效果来看，磁流变材料抗沉降性差、寿命短，磁流变材料价格昂贵，另外还需要一套复杂的控制系统，在军用车辆减振抗爆座椅中应用不佳，且其综合性价比较低。

2.2 国内研究情况

2.2.1 机械式减振抗爆座椅

国内对军用车辆乘载员座椅的设计始于乘载员减振及乘坐舒适性的要求。杨建春等早在2003年就研制了履带车辆钢丝绳减振器(见图8(a))，试验研究证明了钢丝绳减振器在1～100 Hz全频范围，具有较好的减振性能，适合在恶劣工况下人员座椅的减振。但是，从图8(b)所示的传递率曲线中可以看到，其在对人体敏感的4～8 Hz低频段，隔振传递率呈放大状态，减振效果不是很理想。

图8 钢丝绳减振器及其传递率曲线[47]Fig.8 Steel tightwire absorber and its transmission curve[47]

2017年，中国北方车辆研究所与北京安达维尔航空设备有限公司利用直升机抗坠毁座椅用卷簧吸能器开发了一种军用车辆载员抗爆座椅(见图9)，并在某型轮式车上进行了空投模拟摔车试验(见图10)。图11所示为载员座椅安装处及假人冲击加速度曲线。从图11中可以看到：座椅安装处冲击加速度峰值达到50以上，且出现多次反复冲击；坐垫位置垂直向加速度也出现了反复冲击，但是由于机械式卷簧吸能器的抗爆作用，座椅上坐垫处高于15 g以上冲击波均已被削平，这正是卷簧吸能器抗爆启动作用的结果；当悬置质量(人体及座椅相关部件质量和)加速度达到设计值(15)左右后卷簧开始扩展，限制了座椅坐垫及乘坐于其上人体加速度的增长，保护了人体免受巨大冲击的伤害。由此可见，该型卷簧的抗爆作用是显著、可靠的。

图9 军用车辆载员抗爆座椅Fig.9 Explosion-resistant seats for military vehicles

图10 滑动升降式载员座椅模拟空投摔车试验及安装位置Fig.10 Installation of sliding lift occupant seat and airdrop test

图11 载员座椅安装处及坐垫垂直冲击加速度曲线Fig.11 Impulse acceleration in seat and mounting position

2.2.2 多次复用抗爆结构及抗爆座椅

当冲击较小时，2.1.4节所述机械式座椅在卷簧吸能器未全部扩展的情况下可实现多次复用抗爆，但是遇到大的冲击时很可能一次冲击就能消耗完卷簧吸能器的全部扩展行程，当第2波冲击到来时，很可能导致座椅触底，致使乘载员遭受冲击损伤。针对这个问题，国内一些研究人员也开始了多次复用抗爆功能座椅的设计与研究。国内对于多次复用抗爆座椅及吸能器件的设计思路始于汽车防碰撞设计。如参考防碰撞和填充式翻转管结构的汽车吸能盒，开发了翻转管吸能器(见图12(a))，用于汽车防碰撞及直升机抗坠毁座椅。翻转管的变形力- 位移曲线近似为一条水平线(见图12(c))，其承载能力也非常稳定。作为吸能元件，翻转管在变形过程中，几乎将外载荷功全部转变为塑性变形能，且能承受多次回弹载荷，即在一次碰撞中发生反复冲击时，能以双层管→单层管→双层管交迭变化的规律反复吸收能量(见图12(b))。利用翻转管变形的这一力学特性制成的防碰撞与抗冲击吸能元件较为理想。图12中，为翻转管变形力，为管材直径，为翻转管壁厚，为翻转管变形前位置，′′为翻转管变形后位置。

图12 翻转管吸能器工作原理[55]Fig.12 Working principle of the energy absorber[55]

图13 坦克乘员座椅及抗爆器件—翻转管模型[57]Fig.13 Tank occupant seat and anti-explosion device-turning tube model[57]

陈婷等把翻转管应用于军用车辆乘员座椅中，并建立了整车爆炸环境，利用仿真计算与试验所得乘员响应对有限元模型进行了验证；通过翻转管的结构尺寸、启动载荷的设计及动态吸能仿真完成了吸能元件的设计；利用AEP-55人体伤害准则，对图13所示乘员座椅系统中翻转管外径、翻卷半径与翻转管壁厚等参数进行了多目标优化。研究结果表明，翻转管吸能元件工作过程中具有较高稳定性，能够有效提升乘员约束系统的防护性能。

2.2.3 质量自适应减振抗爆座椅

2.2.1节所述机械式吸能器有一个共同的缺点：一旦制造完成，其吸能参数基本确定，当人体质量或配置装备质量增加时，其吸能行程将超过初始设定的吸能行程，从而导致座椅触底，引起较大的冲击，导致乘载员损伤。

为解决这个问题，2017年6月中国北方车辆研究所汪国胜等结合某型坦克乘员座椅坐高无级调节、减振、缓冲与抗爆的多功能需求，借助油气弹簧式悬挂技术研制了一款军用车辆座椅专用油气弹簧式减振缓冲器(见图14)，与卷簧式吸能器配合使用。由于这种减振抗爆器件充气一旦完成，气缸内的气体容量不再变化，其坐高与抗爆行程的调节依靠充放油来实现。计算结果表明，其刚度系数与乘载员体重变化方向一致，且几乎呈正比，使得系统固有频率变化很小，同样具备质量自适应减振的高级功能，实现有效减振与高效缓冲功能，使减振抗爆座椅(见图14中的载员减振抗爆座椅)中的油气弹簧能极大地缓冲来自车辆底部的巨大冲击，在实现高效抗爆功能的前期下实现了大范围坐高无级调节、有效减振、高效缓冲等多功能。

图14 油气弹簧减振缓冲器Fig.14 Hydro-pneumatic spring damper

2017年6月，中国北方车辆研究所把自行开发的油气弹簧式减振缓冲器与北京安达维尔航空设备有限公司开发的直升机抗坠毁器件——卷簧吸能器，集成到其研发的一款四连杆升降式坦克乘员减振抗爆多功能座椅(见图15)与一款垂直升降式坦克载员减振抗爆多功能座椅(见图16)。

图15 四连杆升降式坦克乘员减振抗爆多功能座椅Fig.15 Four-bar lift tank occupant shock absorbing and anti-explosion multifunctional seat

图16 垂直升降式坦克载员减振抗爆多功能座椅Fig.16 Vertical lift tank occupant shock absorbing and anti-explosion multifunctional seat

四连杆升降式坦克乘员减振抗爆多功能座椅在冲击输入为204的台架冲击试验中，腰椎动态响应指数值降到12.23(见图17)，远小于安全值(=17.7)；垂直升降式坦克载员减振抗爆多功能座椅安装于某型4×4装甲车上，其在模拟空投试验(座椅安装位置见图18)中把座椅底部峰值为48的冲击加速度衰减到11，实现了峰值降低77%的良好效果(见图19、图20)。如图19所示，安装二者的座椅冲击脉冲时间较图9所示仅有卷簧吸能器时的坐垫冲击脉冲时间要小得多，表明传递至人体的冲击峰值与冲击能量大大减小。

图17 四连杆式乘员抗爆座椅冲击试验曲线Fig.17 Impact test curve of four-bar occupant anti-explosion seat

图18 安装于4×4装甲车左后载员乘坐位置的载员座椅(含油气弹簧式减振缓冲器及卷簧吸能器)Fig.18 Occupant seat (including oil and gas spring damper and coil spring absorber) installed on the left rear seat position of an 4×4 armored vehicle

图19 载员座椅安装位置垂直冲击加速度曲线Fig.19 Vertical impact acceleration in mounting position of seat

图20 载员座椅坐垫处垂直冲击加速度曲线Fig.20 Vertical acceleration at the cushion of occupant seat

显然集卷簧吸能器与油气弹簧式减振缓冲器于一体的多功能坦克乘员减振抗爆座椅虽然满足坐高无级调节、减振、缓冲、抗爆与质量自适应减振等多种高级功能要求，但是存在以下问题：1)减振效果难以同时满足开窗、闭窗不同工况下的要求；2)在实现抗爆功能后，卷簧吸能器扩展不能复原，因而座椅不能实现多次复用抗爆功能；3)由于卷簧吸能器一旦制造成功，其动力学参数就不能改变，当乘员体重增加时，在防地雷抗爆时座椅有触底的危险，不具备质量自适应的高级抗爆功能；4)从图17所示的四连杆升降式乘员座椅的台架试验结果来看，假人腰椎动态响应指数虽然满足小于17.7的安全指标，但其冲击输出大于35，对人体防护控制水平还有待提高，相关关键技术还有待全力突破。

2.2.4 悬挂式与吊带式座椅

国内除对防爆抗冲击吸能器进行了大量研究外，在“十三五”期间，中国北方车辆研究所、航宇救生装备研究所、南京理工大学以及个别民企参考了国外坦克悬挂式与吊带式座椅结构形式，研制了多种结构类似的悬挂式座椅与吊带式座椅。

2014年航宇救生装备研究所提出一种悬挂式座椅，它装有一对螺旋弹簧用于提供回复力以便调节座椅高度，通过安装于中间的吸能器(见图21)实现抗爆功能。但是吸能器一旦制造完成，其动力学参数基本确定，当乘员体重增加后，在遭遇地雷爆炸时引起极大的冲击将会导致座椅触底，导致乘载员损伤，这种座椅难以实现全面的质量自适应高效减振抗爆功能。

图21 航宇救生装备研究所防地雷座椅结构Fig.21 Mine-proof seat developed by the Aerospace Life-Support Industries, Ltd.

2012年，浙江台州市温岭富康汽车零部件有限公司参照国外吊带式载员座椅也提出了一种简单的壁挂吊装式抗爆座椅(见图22)，其靠背用帆布做成，坐垫也用吊带系于安装座上，这种座椅结构简单、质量轻，乘坐舒适，抗爆效果较好且能实现多次复用，非常适合载员座椅。

1.固定架，2.座垫支撑杆，3.座垫布体，4.靠背布体，5.连接带，6.两侧边杆，7.前边杆，8.凹口，9.手抓孔，10.过水铆钉，11a.安全带1，11b.安全带2，11c.安全带3，11d.安全带4，12.插头，13.卷扬器，14.车身图22 富康汽车零部件有限公司吊带式载员座椅Fig.22 Occupant seat lifted by belt made by Fukang Auto Parts Co. LTD

中国北方车辆研究所研制了图23所示悬挂于车顶的垂直升降式乘员减振抗爆座椅，该座椅上部的安装座焊接于车体顶部，左右两侧2个滑动柱下部悬吊于焊接在底甲板的安装座内，但与车体底部之间留有空隙，形成悬挂式安装。其特点在于采用了图14所示内部带有阻尼阀的油气弹簧式减振缓冲器作为减振抗爆器件，其在实现大范围坐高与抗爆行程无级调节的同时，还实现减振、缓冲与抗爆的多功能。但是，如上所述，限于油气弹簧式减振缓冲器的阻尼性能难以调节，其难以实现全面质量自适应的高效抗爆功能。

图23 油气弹簧升降式坦克乘员座椅总体方案图Fig.23 Overall scheme of lifting tank occupant seat with oil and gas spring

2017年，兵器某厂也结合某型坦克研制了图24所示吊带式坦克乘员座椅，这种吊带式座椅结构轻便，抗爆功能较好，且抗爆结构能多次复用。同年，航宇救生装备研究所也研制了类似的吊带式抗爆座椅。但是经试装使用发现，这种吊带式座椅有以下5个难以改进的缺点：

图24 吊带式座椅及其在乘员舱内的布置效果图Fig.24 Lifting seat and its position in the occupant compartment

1)吊带式座椅需要6～7个吊带斜向固定，其固定结构与状态如图24(b)所示。这种斜向固定的方式影响乘员操纵方便性(尤其是前2根吊带)，并且占用空间较大，不仅会对自己的操作产生影响，还会对舱内其他乘员的操作产生干扰，操纵便捷性差。

2)吊带式座椅椅垫与靠背均为软织布型，经驾驶员乘坐直观感觉，现有的吊带式座椅其软织布靠背不能像汽车座椅一样给予人体上躯干硬有力的支撑，车辆乘员在驾乘时没有推背感，尤其驾驶员在开窗驾驶时，座椅不能给乘员一个硬实的靠背支撑，导致踩制动时感觉疲软。

3)吊带式座椅没有减振装置，仅靠吊带进行减振，减振效果较差，难以满足坦克车辆开窗工况下高速越野行驶时的高减振要求，尤其是难以满足在4～8 Hz人体敏感频率范围内的振动衰减。

4)吊带式座椅这种固定方式使得乘员在更换姿态、调节座椅高度、前后位置及更换开闭/窗工作方式时比较烦琐。每个吊带需要1个电机驱动，调节姿态或坐高时，需要1个控制系统驱动7个电机需要同步运动，如果有1个电机可调节机构损坏，就会造成调节失败，系统复杂，可靠性相对较低。

5)吊带式座椅用吊带固定，有一定的松紧度，车辆在行驶过程中，这种吊带固定方式不仅在垂直方向上还在横向水平方向上导致乘员眼睛发生相对观察装置或观察窗口的振动，极大地影响观瞄效能。

目前，类似德国吊带式乘员(驾驶员)座椅的方案经某型坦克装车试用，由于使用效果不好，已被驾驶员放弃使用。使用结果表明：吊带式座椅不适用于身负多个操纵任务的乘员座椅，比较适合作为没有精确操纵功能需求的载员座椅。

从图25所示装甲车载员座椅安装图可见，载员舱采取的两排人员相向而坐的布置方式，同时为每个载员配备的是独立折叠吊带式悬挂座椅，座椅使用织物带吊挂在车顶，并不与车体有任何的刚性连接，座椅放平后人坐在上面像吊床一样悬空，同时在后背和头部位置加装了柔软的减震材料，不仅能避免压到地雷或者IED时爆炸的冲击力通过车体转导到载员身上，造成载员的脊柱或者肌肉受损，还能增加乘坐的舒适度，有益于载员长距离机动后保持战斗力。

图25 悬吊于侧壁的载员抗爆座椅Fig.25 Explosion-proof seat for loader suspended on side wall

2.2.5 基于磁流变液减振器及减振抗爆座椅

针对军用车辆乘载员座椅的多功能减振与抗爆需求，国内宋春桃、孙启超等、曾才民、陈嘉豪、孟小杰、杨森、Bai等、唐志勇等均对军用车辆乘员磁流变体隔振器及座椅设计进行了深入研究，取得了较为理想的试验结果。但是，磁流变材料寿命目前是一个国际难题，另外基于磁流变减振器控制需要一套复杂的电子控制系统，其实现抗爆功能的前提是其耐冲击性能要达到几百甚至1 000以上，由此可见，自身控制系统的耐冲击设计是其自身真正进入实用之前而需突破的瓶颈。

2.3 国内外研究差距

对于2.2节所述乘载员减振抗爆座椅单一的功能需求，很容易实现，但要想在一个座椅上或一个功能器件上同时实现2.2.2节所述多次复用抗爆及质量自适应高级功能，确有很大的难度。欧美等先进国家早在20世纪就开始对军用车辆乘载员抗爆座椅进行了大量设计与研究，防地雷爆炸性能良好，相关产品早已进入广泛应用阶段。但从查阅到的文献来看，国外研究主要集中于抗爆性能的提高；从座椅达到的综合性能指标来看，研制的抗爆座椅均没有同时实现坐高无级调节、质量自适应的高效减振、抗爆与多次复用抗爆等多功能的高级要求。国内相关研究在“十三五”期间刚刚起步，兵器集团与航空集团一些厂、所研制的吊带式座椅单一抗爆性能较国外还有较大差距，且均难以同时满足坦克座椅的抗爆性能指标(在100 mm抗爆行程内，在峰值204三角波、7 ms冲击波输入条件下，把人体腰椎系数控制在17.7以下)与良好减振(4～8 Hz人体敏感范围内隔振传递率小于90%)及质量自适应等多功能要求。

3 未来研究趋势与函待突破关键技术

3.1 未来研究趋势与发展方向

军用车辆座椅的设计要求是多方面的，主要表现在以下5个方面的高级功能要求：

1)坐高及抗爆行程无级调节功能。对于具有开窗、闭窗驾乘功能的乘员座椅，其坐高调节步长不能太大，最好具备坐高无级调节及抗爆行程手动或自动调节功能，以适应因士兵质量变化或因穿戴装备而导致的抗爆行程变化，并实现开窗、闭窗工况下的舒适驾乘与操作。

2)不同工况(开窗与闭窗驾乘工况)下良好减振与缓冲性能。坦克开窗、闭窗两种工况下具有不同的减振与缓冲性能，以满足高速开窗工况下越野行军高性能减振与闭窗战斗工况下的稳定观瞄功能需求，提高振动舒适性、工作效能与疲劳工效。

3)抗爆结构多次抗爆复用功能。为防止车辆炸起后再次跌地引起的乘员损伤，座椅抗爆结构必须具备多次复用抗爆功能。

4)具备质量自适应减振功能。在座高调节过程中或当士兵(因穿戴装备)质量变化时，减振系统参数(固有频率)不能变化太大，不能出现因坐高调节与质量变化导致的减振性能降低太多。

5)具备质量自适应抗爆功能。座椅抗爆结构必须具备质量自适应抗爆功能，当士兵(因穿戴装备)质量变化时，在同样的抗爆行程条件下，不能因乘员体重增加导致抗爆过程中座椅触底而产生更大的冲击。

3.2 急需突破的关键技术

从2.3节所述的功能要求与研究现状来看，亟待突破的军用车辆乘载员座椅减振抗爆关键技术有：

1)军用车辆乘载员座椅多功能减振抗爆结构方案。上述5种高级功能需要在一个座椅上同时实现，最好在同一个功能器件上同时实现，限于空间与质量限制，有着较大的难度，这是军用车辆乘载员座椅需要突破的第1个关键技术。

2)基于变刚度变阻尼控制的质量自适应减振&抗爆技术。由于具备质量自适应减振&抗爆功能与技术的座椅能满足不同体重(或穿戴装备质量)军用车辆乘载员减振、缓冲与抗爆的多功能要求，减少或减弱因地雷爆炸引起的伤亡。而质量自适应减振&抗爆技术主要通过变刚度变阻尼来实现，因此基于变阻尼控制的质量自适应减振&抗爆技术成为军用车辆乘载员座椅需要突破的第2个关键技术。

4 结论

国外先进国家对军用车辆乘载员的减振抗爆防护研究较我国早得多，其相关研究主要集中于3.1节的5个方向。因此，未来一段时间我国军用车辆座椅研发也将朝着质量自适应减振抗爆、抗爆结构多次复用等多功能方向发展，而军用车辆乘载员座椅多功能减振抗爆结构方案、基于变刚度变阻尼控制的质量自适应减振&抗爆技术，是我国军用车辆乘载员座椅设计过程中急需首先突破的两个关键技术与难题。

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