头颈部防护装置对头颈部损伤的影响分析

刘荣，姜南

航空工业航宇救生装备有限公司航空防护救生技术航空科技重点实验室，湖北省 襄阳441000

弹射座椅被誉为蓝天上的“生命之舟”，可在危急时刻应急离机[1]，依靠座椅下的动力装置将飞行员弹出机舱[2]，挽救飞行员的生命。随着飞机性能的不断提升，受到现役弹射座椅工作原理和飞行员头颈部生理结构的制约，应急弹射时飞行员头颈部损伤的现象时有发生。尤其是在高速弹射出舱时,飞行员的头颈部不仅受到高达16～20g的弹射载荷[3-5]，还受到弹射座椅转矩[6]和高速气流的吹袭。因头颈部为骨链性结构[7]，易造成飞行员头颈部剧烈前后摔打、左右旋转扭动，甚至导致死亡[8-9]，有关统计发现，重伤死亡率可高达69%[3,10]。为解决头颈部损伤过大的问题，美国ACES 5 弹射座椅采用了新型的被动式头颈防护装置，即在头靠系统增加展开式防护装置，以降低飞行员颈部受伤的风险。头颈部损伤问题已成为各国从事弹射救生科研工作者的研究重点之一，判断弹射过程中飞行员颈部是否损伤及如何评估防护效果的好坏问题显得尤为重要。

本文通过分析对比在850km/h 高速气流吹袭下，有无颈部防护装置情况下仿真假人头颈部的力、力矩和颈部损伤判据值，结果证明，头颈部防护装置可以降低力、力矩和损伤判据值，对飞行员头颈部有一定的防护作用。

1 头颈部损伤合格判据

2000年前后，美国国家公路运输安全管理局提出了用于量化评估汽车约束系统的Nij颈部损伤判据[11]；2006年，美国海军某个专门研究弹射时头颈部潜在损伤的课题组，提出了一套颈部损伤判据；2015 年，Parr[12]提出了一种基于上颈部损伤的多轴横向冲击的损伤标准。我国空军特色医学中心于2021 年决定暂用《飞行员防护救生装备生理卫生学要求》规定的颈部损伤判据（Nij）、x轴的颈部力矩指数（NMIx）和z轴的颈部力矩指数（NMIz）作为我国弹射救生颈部损伤判据，来研究飞行员在弹射过程中的颈部损伤问题。

该生理卫生学要求利用Hybrid III型仿真颈椎测试的力、力矩数值计算颈部损伤指数进行评价，颈部损伤指数包括Nij、NMIx和NMIz。各方向解剖坐标系如图1所示，“+”和“-”代表方向，下文中出现的方向均与此图一致。通过测试每发试验假人上颈部的六分量数据Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，计算Nij、NMIx和NMIz判据值来判断仿真假人头颈部是否损伤及损伤概率。美国空军生命周期管理中心要求满足的弹射颈部损伤为二级损伤概率AIS2+≤5%，对应的上颈部Nij、NMIx和NMIz耐限值均为0.5，损伤判据值小于规定的耐限值，并不能说明飞行员头颈部完全不受损伤，只能说明飞行员受二级损伤的概率低于5%，这个概率在规定的范围内是可接受的[11]。

图1 解剖坐标系示意图Fig.1 Anatomical coordinate system diagram

1.1 Nij判据

Nij采用力与力矩的耦合作用，颈部弯曲/延展力矩（My）的评估与颈部拉伸力/压缩力Fz相对应，计算公式如式（1）所示

式中:Fzcrit和Mycrit分别表示Fz和My的临界值，具体数值见表1。上颈部Nij耐限值为0.5。

1.2 NMIx判据

颈部力矩指数NMIx用于评估侧弯力矩Mx，计算公式如式（2）所示

式中，MxLIM为Mx的临界值，具体数值见表1。上颈部的NMIx耐限值为0.5。

1.3 NMIz判据

颈部扭矩Mz用NMIz来评估，NMIz计算公式如式（3）所示

式中，MzLIM为Mz的临界值，具体数值见表1。上颈部NMIz耐限值为0.5。

表1 损伤判据计算所涉及的临界值Table 1 The critical values involved in injury criteria calculations

2 试验数据处理及分析

本次高速气流吹袭试验的吹风速度为850km/h，使用Hybrid Ⅲ仿真假人50%分位假人（简称假人），在有无防护装置条件下各两发进行试验。假人穿戴好防护服及头盔面罩，按装机状态坐在弹射座椅上，在假人的脖颈处安装传感器，得到假人脖颈处的受力情况。试验过程中850km/h 维持约0.5s，根据试验测得的六分量数据及计算的损伤判据值判断损伤情况。下文中有无头颈部防护装置分别简称为有防护和无防护。

2.1 有无防护装置各方向力对比

第一发试验有无防护状态下各方向力对比如图2 所示，第二发试验有无防护状态下各方向力对比如图3所示。

图2 第一发试验有无头颈部防护装置力的对比图Fig.2 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in first test

图3 第二发试验有无头颈部防护装置力的对比图Fig.3 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in second test

从图2和图3可以看出，两发无防护组的Fx均表现为先突然增大，后急剧减小，再缓慢增大到趋于稳定的过程，当头颈部的抵抗作用小于气动力，头颈部受到-Fx的力，两发试验x方向所受力的最大值Fxmax的均值为466N；而有防护组因为在头颈部提供辅助支撑，从而使得Fx方向受力减小，最大值出现时间延长，数据曲线整体降低，两发试验Fxmax均值为181N，相比无防护组的值减小了285N。

无防护的y向受力Fy为先增大后减小再趋于稳定的过程，吹风刚开始，随着风速逐渐增大，Fy也持续增大，两发试验Fymax的均值为661.5N；有防护组的Fy受到气动力后逐渐增大，数据增长较无防护组更加缓慢，且最大值出现时间延长，有防护组两发试验Fymax均值为310.5N，相比无防护组的值减小了351N。

无防护组的Fz整体表现为先增大后减小，结合Fx发现，此时假人头部向后，受到斜向上方的力，Fz不断增大，两发试验Fzmax均值为1493.5N，后逐渐减小；有防护组的Fz最大值出现时间延长，均值Fzmax为731.5N，相比无防护组的值减小了762N。

2.2 有无防护装置各方向力矩对比

第一发试验有无防护状态下各方向力矩对比如图4所示，第二发试验有无防护状态下各方向力矩对比如图5所示。

图4 第一发试验有无头颈部防护装置力矩的对比图Fig.4 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in first test

图5和图6为两发试验有无防护装置在x、y和z三个方向上所受力矩对比图。Mx为侧弯力矩，无防护组Mx数据呈先增大后减小趋势，且基本为“+”值，说明此时假人的头向右弯曲，最大值Mxmax均值为30N•m；Mx有防护组数据最值出现时间延长，且基本为“-”值，说明此时假人的头向左侧弯曲，最大值Mxmax均值为18.5N•m，相比无防护组的值减小了11.5N•m。

图5 第二发试验有无头颈部防护装置力矩的对比图Fig.5 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in second test

My为前后弯矩，“+”为低头力矩，“-”为抬头力矩。My无防护组在吹风初始阶段，头颈部有前后的振荡，后吹风速度逐渐增大，且基本为“+”值，说明此时假人的头向前弯曲，假人对吹风有一定的抵抗作用，后期气动力过大，头颈部向后甩出，两发试验My最大值均值Mymax为20.5N•m；My有防护数据组最值出现时间延长，最大值Mymax均值为14N•m，相比无防护组的值减小了6.5N•m。

Mz为扭矩，“+”为向左扭，“-”为向右扭。无防护组假人在吹风初始阶段，随着风速不断增大，假人头部向左扭动，最大值Mzmax均值为37N•m，后逐渐减小趋于稳定；有防护组的Mz有两个峰值，说明有防护组假人有两次向左扭动，但两次峰值远小于无防护组数据，最大值Mzmax均值为12.5N•m，相比无防护组的值减小了24.5N•m。

2.3 有无防护装置各方向损伤判据对比

第一发试验有无防护状态下合格判据对比如图6 所示，第二发试验有无防护状态下合格判据对比如图7所示。

从图6和图7两发试验中有无防护装置Nij的对比图可以发现，无防护组的Nij的最大值Nijmax均值为0.225；有防护组最值出现时间延后，最大值均值为0.13，相比无防护组的值减小了0.095。因NMIx的值与Mx成正相关，变化趋势一致，从NMIx的对比图可以发现，两发无防护组的最大值NMIxmax均值为0.3；Mx有防护组数据最值出现时间延后，最大值NMIxmax均值为0.17，相比无防护组的值减小了0.13。NMIz的计算公式与NMIx类似，仅与Mz成正相关，从NMIz的对比图可以看出，无防护最大值NMIzmax均值为0.275；NMIz有防护组数据同Mz曲线一致，出现了两个峰值，最大值NMIzmax均值为0.09，相比无防护组的值减小了0.185。由以上数据对比可知，有防护组可以在很大程度上减小判据值，降低头颈部损伤的风险。

图6 第一发试验有无头颈部防护装置判据的对比图Fig.6 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in first test

图7 第二发试验有无头颈部防护装置判据的对比图Fig.7 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in second test

3 结束语

本次850km/h高速气流吹袭试验下的两发有无头颈部防护装置所受力、力矩和损伤判据值最大值的平均值对比见表2。

表2 有无头颈部防护装置力、力矩和判据对比表Table 2 Comparison table of force/moment and criterion with or without head and neck protection device

通过对比结果可以发现:（1）Fxmax相比无防护组的值减小了285N，减小率为61.16%；Fymax相比无防护组的值减小了351N，减小率为53.06%；Fzmax相比无防护的值减小了762N，减小率为51.02%。（2）Mxmax相比无防护的值减小了11.5N•m，减小率为38.33%；Mymax相比无防护的值减小了6.5N•m，减小率为31.71%；Mzmax相比无防护的值减小了24.5N•m，减小率为66.22%。（3）Nijmax相比无防护组的值减小了0.13，减小率为43.33%；NMIxmax相比无防护的值减小了0.095，减小率为42.22%；NMIzmax相比无防护的值减小了0.185，减小率为67.27%。

有防护的数据明显小于无防护组。在本试验状态下，有颈部防护装置的力、力矩和损伤判据数据值明显降低，说明颈部防护装置对飞行员头颈部有一定的防护作用，可有效降低损伤风险。后续还应继续进行对比试验，使结论更具科学性和准确性。