航空后向座椅16g水平冲击结构试验研究

林 策，黄志伟，张凯宁

（湖北航宇嘉泰飞机设备有限公司航空座椅开发部，湖北 襄阳 441000）

飞机应急着陆过程中会产生很高的加速度。根据适航规章要求，航空座椅应在考虑乘员乘坐、地板变形以及飞机偏航等条件下满足16 g 水平冲击结构试验[1]（简称16 g 结构试验）的要求，对于有肩带约束的座椅，还应在该试验中评估肩带最严酷受拉载荷以及肩带对乘员的保持符合性[2]。针对航空座椅16 g 结构试验的研究，多集中在前向座椅无地板变形条件下的冲击试验研究[3-4]以及评估乘员头部损伤、乘员头部轨迹和对头部损伤影响参数的仿真及试验研究[5-9]，对于考虑地板变形的前向座椅16 g 结构试验研究较少，仅有少数针对仿真建模方法的研究[10]以及部件验证试验的研究[11]。对于后向座椅的研究，仅在汽车前向座椅受到后排乘员碰撞时，有少数针对前排乘员头部和颈部损伤防护的研究[12-13]，针对飞机后向座椅的16 g 结构试验研究十分少见，仅文献[14]通过仿真方法研究了后向座椅的16 g 结构试验过程；文献[15]简单分析了在冲击载荷下后向座椅由于椅背传力面积和效率更大，而较前向座椅对乘员的损伤（头部、颈部和腰部等）程度更小。

本文基于安装于某型公务机的前向和后向各一对双联座椅的试验取证要求，开展了前向和后向座椅16 g 结构试验，重点研究了后向座椅相对前向座椅在试验中的差异特性，为后向座椅的适航取证试验和座椅强度设计提供参考。

1 16 g 结构试验

根据CCAR-25-R4[1]适航规章要求，座椅和约束系统必须设计成使其在飞机应急着陆时具有保护乘员安全的能力。16 g 结构试验是验证座椅满足上述要求的动力试验之一。对于该试验，需符合下列要求：

（1）采用中国民用航空局认可的碰撞试验假人（ATD，anthropmorphic test device）模拟乘员，其重量为77 kg，正常向上乘坐；

（2）向前纵向速率变化ΔV 不小于13.40 m/s，与飞机纵轴向右或向左偏摆10°；最大负加速度必须在撞击后半波时刻tr=0.09 s 内出现，且不低于16 g 的冲击波形；

（3）若使用地板导轨安装座椅，一侧导轨相对于相邻导轨必须俯仰10°并且滚转10°；

（4）试验中，座椅的主传力结构应完整，安全带在试验中必须保持在乘员肩上。

2 座椅介绍

如图1 所示，文中前/后向双座座椅主要由头靠、靠背、转盘、扶手、椅盆、坐垫、椅腿（椅腿组件前后结构对称）、椅腿锁和腿靠等构成。

图1 双联座椅Fig.1 Double seat

图1 中两个座位相对独立，可前、后、左和右侧滑动，且均可通过转盘组件转动180°，故可根据装机布局和座椅调节实现沿飞机航向前向和后向安装。当座椅后向安装时，其主结构整体与前向安装时沿航向对称，且椅腿部分完全相同，如图2 所示。

图2 前向和后向座椅安装布局Fig.2 Installation layout of forward facing and rear facing seat

为便于分析座椅安装布局，对坐标系进行统一规定，沿飞机逆航向为+X，以航向视角走廊侧朝舱壁侧方向为+Y，按右手法则，垂直向上为+Z；将前向和后向座椅的椅腿进行编号：前向座椅走廊侧前椅腿和后向座椅走廊侧后椅腿编号为1#；前向座椅走廊侧后椅腿和后向座椅走廊侧前椅腿编号为2#；前向座椅舱壁侧后椅腿和后向座椅舱壁侧前椅腿编号为3#；前向座椅舱壁侧前椅腿和后向座椅舱壁侧后椅腿编号为4#。

3 试验工况对比

3.1 传力路径

在16 g 结构试验中，乘员由于惯性载荷作用会向前运动，对座椅产生向前冲击载荷。

对于前向双座座椅，乘员和座椅惯性载荷沿航向传递，其中乘员惯性载荷通过安全带将载荷传递给座椅，座椅主传力路径如下：

路径1腰带→椅盆组件→转盘组件→椅管→椅腿→椅腿锁；

路径2肩带→靠背组件→椅盆组件→转盘组件→椅管→椅腿→椅腿锁。

对于后向双座座椅，乘员和座椅惯性载荷沿航向传递，其中乘员惯性载荷通过靠背直接传递给座椅，座椅主传力路径如下：

路径1靠背和头靠组件→椅盆组件→转盘组件→椅管→椅腿→椅腿锁。

对比可知，后向座椅主传力路径与前向座椅存在显著差异。

3.2 试验条件对比

根据适航规章要求，座椅进行16 g 结构试验，应筛选出最严酷的试验状态。首先依据座椅结构计算出静态向前9 g 工况下具有最大合成接口载荷的椅腿，再通过俯仰、滚转和偏航的条件综合筛选出具有最大合成接口载荷的椅腿。

根据座椅结构特点，对于前向座椅，筛选出具有最大合成接口载荷的后椅腿；对于后向座椅，筛选出具有最大合成接口载荷的前椅腿。接口载荷可通过力学理论或借助有限元分析软件进行计算。本文利用力学理论公式计算了前向和后向座椅椅腿在静态向前9 g 工况下的最大合成接口载荷，如表1 所示。

表1 前向和后向座椅椅腿最大合成接口载荷对比Tab.1 Comparison of maximum resultant interface loads between forward facing and rear facing seat legs N

由表1 可知，在同系数工况下，前向和后向座椅中具有最大合成接口载荷的椅腿均为2#椅腿。

对于俯仰、滚转和偏航的条件需要通过结构最严苛受载和接口载荷最严苛受载指标共同筛选。

3.2.1 前向座椅试验条件筛选

1）俯仰条件筛选

将座椅简化为框架结构，俯视平面图下前向座椅椅腿位置关系如图3 所示，其中，L 表示2#与4#椅腿的距离。左偏航或右偏航时，对4#椅腿施加载荷时，由于相对2#椅腿力臂最大，则在2#椅腿产生最大的支反力。在4#椅腿施加载荷时，会以1#椅腿和3#椅腿的连线形成转轴，故在4#椅腿施加向下载荷时，2#椅腿将受到弯曲拉伸载荷（Ma1或M′a1）；在4#椅腿施加向上载荷时，2#椅腿将受到弯曲压缩载荷（图中未展示）。在16 g 结构试验中，座椅及乘员的惯性载荷沿航向（-X）传递，会使得2#椅腿受到弯曲拉伸载荷。因此，根据上述分析，在4#椅腿施加向下载荷时，2#椅腿同时受到施加载荷和惯性载荷，此时载荷最严酷。故对于前向座椅，选择4#椅腿下俯10°作为试验条件。

图3 前向座椅俯仰试验条件筛选Fig.3 Selection of forward facing seat pitch test condition

2）偏航条件筛选

如图4 所示，假设乘员惯性载荷为Fa，左偏航时，分解载荷Fa为Fa1和Fa2；右偏航时，分解载荷Fa为F′a1和F′a2。参照俯仰条件筛选过程，Fa1和F′a1对2#椅腿产生弯曲拉伸载荷Mb1和M′b1。根据几何关系可知，左偏航时，Fa1＞F′a1，故Mb1＞M′b1。因此，选择左偏航时，结合下俯条件，2#椅腿会产生更大的弯曲拉伸载荷（Ma1+Mb1），故对于前向座椅，选择左偏航10°作为试验条件。

图4 前向座椅偏航试验条件筛选Fig.4 Selection of forward facing seat yaw test condition

3）滚转条件筛选

如图5 所示，对走廊侧椅腿施加沿航向逆时针（或顺时针）滚转力矩时，椅腿会产生反作用力矩Mc1（或M′c1）。根据已筛选出的俯仰和偏航条件可知，Mc1与Ma1和Mb1在沿2# 和4# 椅腿连线方向叠加对2#椅腿产生最为严酷的接口载荷，故对于前向座椅，选择走廊侧椅腿逆时针（沿航向）滚转10°作为试验条件。

图5 前向座椅滚转试验条件筛选Fig.5 Selection of forward facing seat roll test condition

3.2.2 后向座椅试验条件筛选

对于后向座椅，俯仰、滚转和偏航条件的筛选方法与前向座椅相同。

1）俯仰条件筛选

将座椅简化为框架结构，后向座椅俯视平面图下座椅椅腿位置关系如图6 所示。对于左偏航或右偏航，对4#椅腿施加载荷时，由于相对2#椅腿力臂最大，则在2#椅腿产生最大的支反力。在4#椅腿施加载荷时，会以1#椅腿和3#椅腿的连线形成转轴，故在4#椅腿施加向下载荷时，2# 椅腿将受到弯曲拉伸载荷（Ma2或M′a2）；在4#椅腿施加向上载荷时，2#椅腿将受到弯曲压缩载荷（图中未展示）。在16 g 结构试验中，座椅及乘员的惯性载荷沿航向（-X）传递，会使得2#椅腿受到弯曲拉伸载荷。因此，根据上述分析，在4#椅腿施加向下载荷时，2#椅腿同时受到施加载荷和惯性载荷，此时载荷最严酷。故对于后向座椅，选择4#椅腿下俯10°作为试验条件。

图6 后向座椅俯仰试验条件筛选Fig.6 Selection of rear facing seat pitch test condition

2）偏航条件筛选

如图7 所示，假设乘员惯性载荷为Fb，左偏航时，分解载荷Fb为Fb1和Fb2；右偏航时，分解载荷Fb为F′b1和F′b2。参照俯仰条件筛选过程，Fb1和F′b1对2#椅腿产生弯曲拉伸载荷Mb2和M′b2。根据几何关系可知，左偏航时，Fb1＞F′b1，故Mb2＞M′b2。因此，选择左偏航时，结合下俯条件，2# 椅腿会产生更大的弯曲拉伸载荷（Ma2+Mb2），故对于后向座椅，选择左偏航10°作为试验条件。

图7 后向座椅偏航条件筛选Fig.7 Selection of rear facing seat yaw test condition

3）滚转条件筛选

如图8 所示，对走廊侧椅腿施加沿航向顺时针（或逆时针）滚转扭矩时，椅腿会产生反作用力矩Mc2（或M′c2）。根据已筛选出的俯仰和偏航条件可知，M′c2与Ma2和Mb2在沿2# 和4# 椅腿连线方向叠加对2#椅腿产生最为严酷的接口载荷。故对于后向座椅，选择走廊侧椅腿逆时针（沿航向）滚转10°作为试验条件。

图8 后向座椅滚转条件筛选Fig.8 Selection of rear facing seat roll test condition

经过筛选，前向座椅和后向座椅俯仰、滚转和偏航条件对比如表2 所示。表2 中，偏航条件均以沿航向俯视视角定义，滚转条件均以沿航向从后向前视角定义。由表2 可知，后向座椅的偏航和滚转条件与前向座椅相同，但俯仰条件存在差异。

表2 16 g 试验条件对比Tab.2 Comparison of 16 g test condition

3.3 肩带受载验证

依据AC 25.562-1B 标准[2]要求，对于具有上躯干约束系统的前向座椅，应通过选择合适的偏航方向使得约束系统承受最大的拉伸载荷，且需要通过最严酷的偏航方向验证约束系统对乘员的约束保护（肩带不得脱离肩膀）。为满足上述要求，需要对两种不同偏航状态的工况进行试验。

对于具有上躯干约束系统的后向座椅，由于在应急着陆惯性冲击下，乘员惯性载荷作用在靠背上，传力路径不经过安全带，故可不考虑肩带的受载和约束验证。本文论述的前向和后向座椅的肩带均为右侧肩带。图9 所示为标准中示出的前向座椅右侧肩带对乘员约束验证的偏航状态[2]。图10 所示为前向座椅右侧肩带受载最严酷的偏航状态。

图9 肩带保持示意图Fig.9 Schematic of shoulder strap restraint

图10 肩带受载示意图Fig.10 Schematic of shoulder strap loading

本文主要研究座椅的16 g 结构试验，对于肩带对乘员的约束试验验证不进行阐述。结合对前向座椅的偏航状态筛选可知，前向座椅在左偏航条件下进行16 g结构试验，可同时验证右肩带的最严酷拉伸载荷。尽管后向座椅具有肩带，但在16 g 结构试验中，通过主传力路径可知，肩带不受载荷，故不需要考虑肩带的保持和受载验证，本文不进行对比分析。

3.4 头部损伤验证

根据CCAR-25-R4[1]适航规章要求，在飞机应急着陆情况下，乘员头部可能触及座椅或其他构件，座椅和约束系统必须提供保护措施以使头部损伤判断标准（HIC，head injury criterion）不超过1 000[1]。

对于后向座椅，试验中乘员头部由于惯性会与头靠发生碰撞，故需在后向座椅16 g 结构试验中搜集HIC 值以评估乘员头部损伤；对于本文中的前向座椅，由于试验中乘员头部向前运动，不会与头靠发生碰撞，故不需要进行头部损伤评估。

4 试验及过程对比

试验实施参照AC 25.562-1B[2]进行。试验采用加速式冲击滑台系统进行，试验假人采用FAA Hybrid Ⅲ型50 百分位男性假人。

试验座椅安装如图11 所示。试验工装根据工况筛选的偏航状态安装在冲击滑台上，假人通过安全带约束在座椅上，座椅通过导轨和六分量传感器安装在试验工装上。对于前向座椅，肩带在假人右肩膀处安装有肩带传感器；对于后向座椅，在假人头部安装有三向加速度传感器。座椅的左侧和右侧均粘贴右靶标进行座椅永久变形的测量。通过数据采集系统采集台车、座椅及假人的传感器数据。为了采集试验中假人和座椅的运动姿态，在台车的左、右、上方和台车上共安装有4 台高速摄像机。

图11 试验座椅安装Fig.11 Installation of test seats

对于俯仰和滚转过程，前向和后向座椅均遵循先俯仰，后滚转，再冲击的过程。由于俯仰和滚转过程是一个静态过程，而冲击是动态过程，在俯仰过程之前，需先对6 分量载荷传感器进行清零以搜集俯仰和滚转过程中的接口载荷；在俯仰和滚转过程之后，需再次对六分量载荷传感器进行清零以搜集动态冲击过程中的动态接口载荷数据。

5 试验结果分析

为了研究后向座椅在16 g 结构试验中的特性，筛选接口载荷、永久变形、乘员姿态与前向座椅进行对比，并分析了后向座椅16 g 结构试验中的头部损伤情况。

5.1 接口载荷对比

5.1.1 俯仰和滚转过程

表3 列出了前向座椅和后向座椅在俯仰和滚转过程结束后，4 个椅腿的最大接口载荷比较情况。其中，Fx、Fy、Fz和Fn分别代表椅腿和导轨连接件在+X、+Y、+Z 向的载荷分量以及合成载荷。由于本文中后向座椅与前向座椅在转盘组件以下椅腿组件相同，而俯仰滚转主要考核椅腿组件的变形能力，故表3 中前向和后向座椅各椅腿的合成载荷Fn较为接近，后向座椅相对前向座椅椅腿合成载荷最大差异约3.3%。

表3 俯仰和滚转过程后椅腿最大接口载荷对比Tab.3 Comparison of seat leg's maximum interface loads after pitch and roll N

5.1.2 冲击过程

冲击过程中，前向和后向座椅各椅腿合成接口载荷对比如图12 所示，其中，1#和4#椅腿受压，2#和3#椅腿受拉。表4 列出了前向和后向座椅椅腿最大合成接口载荷对比情况。

表4 冲击过程中椅腿最大合成接口载荷对比Tab.4 Comparison of seat legs′maximum resultant interface loads during the impact N

图12 椅腿合成接口载荷对比Fig.12 Comparison of seat leg's resultant interface loads

由图12 和表4 可知，后向座椅各椅腿最大合成接口载荷均小于前向座椅，同比小1.9%～21.9%。经分析认为：前向座椅由于惯性载荷与座椅朝向相同，座椅骨架绕椅腿向前向上翻转，重心比初始位置更高，且乘员通过肩带和腰带将载荷传递给座椅，作用点高，对底部结构形成更大的力矩，且安全带对冲击载荷有一定的放大作用[16]。而对于后向座椅，由于惯性载荷与座椅朝向相反，座椅骨架绕椅腿向后向下翻转，重心比初始位置更低，且乘员通过靠背直接传递载荷，载荷作用点较肩带作用点低，故后向座椅椅腿最大合成接口载荷更小。

5.2 最大永久变形对比

试验中，为了测量座椅永久变形，在座椅两侧扶手的4 个角点、靠背上部和头靠上均粘贴有靶标点。由于座椅底部固定，冲击过程中，座椅上部结构变形会更大，且+X 向（飞机逆航向，参照图3 中坐标系）变形最能代表座椅纵向变形，故选择靠背点和头靠点进行最大+X 向永久变形对比。表5 为前向座椅和后向座椅的+X 向永久变形对比情况。

表5 座椅+X 向永久变形对比Tab.5 Comparison of seat+X orinted permanent deformation

对比表5 中数据可知，后向座椅+X 向最大变形均小于前向座椅，同比小29.1%～40.7%。

综合比较试验中座椅接口载荷和变形量，可得出：16 g 结构试验中，后向座椅的承载严酷度小于前向座椅。

5.3 乘员姿态对比

尽管后向座椅相对前向座椅在主结构上沿航向前后对称，但在16 g 结构试验中，由于俯仰、滚转试验条件以及主传力路径不同，乘员在试验过程中的运动姿态也不相同。

表6 展示了试验中前向座椅和后向座椅假人运动姿态的对比情况。

表6 前向和后向座椅假人运动姿态对比Tab.6 Comparison of postures of dummy between forward and rearfacing seat

5.3.1 初始姿态对比

由表6 可知，后向座椅相对前向座椅初始姿态主要差异体现在俯仰侧假人。由于椅腿下俯，导致前向座椅俯仰侧假人初始向前和向下倾斜，与靠背有一定间隙；后向座椅俯仰侧假人向后和向下倾斜，且紧贴靠背。

5.3.2 运动姿态对比

由表6 可知，前向座椅假人在冲击惯性载荷下相对座椅向前运动，并在安全带约束下带动座椅向前和向上翻转变形；而后向座椅假人在冲击惯性载荷下相对座椅向后运动，并通过靠背带动座椅向后和向下翻转变形。后向座椅假人在冲击过程中挤压靠背向后变形，且由于前期安全带对乘员向上运动并没有明显约束效果，乘员在惯性载荷下沿靠背发生明显的向上滑动。

5.4 头部损伤判据

对于后向座椅，测试的乘员头部损伤如图13 所示。其中，左假人为俯仰侧假人，右假人为滚转侧假人。两侧假人头部碰撞头靠加速度均较小，HIC 值远小于1 000。参照表6 中假人姿态，由于后向座椅假人头部与头靠距离较近，且头靠泡沫具有较好的吸能效果，使得假人头部与头靠骨架碰撞时碰撞加速度较小。

图13 后向座椅头部损伤HIC 值Fig.13 HIC value of head injury of dummy in rear facing seat

6 结语

本文通过试验研究了某型号公务机后向座椅相对前向座椅在16 g 结构试验中的差异特性，分析了试验传力路径、试验工况条件、试验测试项、试验过程、试验后接口载荷、最大变形和座椅-假人运动姿态的差异，并给出了后向座椅成员头部损伤结果，主要得到以下结论。

（1）传力路径不同。前向座椅假人通过肩带和腰带传递至靠背，再传递至座椅骨架；而后向座椅假人惯性载荷则直接作用在靠背/头靠上，再传递至座椅骨架。

（2）后向座椅受载严酷度小于前向座椅。后向座椅椅腿最大合成接口载荷比前向座椅小1.9%～21.9%；靠背/头靠同位置最大水平方向永久变形较前向座椅小29.1%～40.7%。

（3）假人运动姿态不同。前向座椅的假人在惯性载荷下远离座椅运动；而对于后向座椅，由于安全带对假人初始向上运动约束效果差，假人在惯性载荷下沿靠背发生明显的向上滑动，因此，在后向座椅肩带设计中应考虑偏航角度下假人在16 g 结构试验中向上脱出的风险。

（4）16 g 结构试验中，由于后向座椅假人头部与头靠距离较近，且头靠泡沫具有一定吸能效果，使得假人头部与头靠骨架碰撞时头部损伤小，HIC 值远小于规章要求的1 000（HIC ＜1 000）的指标，因此，对于后向座椅，在动态试验中假人头部碰撞靠背/头靠的HIC 风险较小，但应注意在后向座椅设计时考虑头靠泡沫的吸能设计。

上述结论以及本文中关于试验工况（俯仰、滚转和偏航）条件筛选方法对于飞机后向座椅的强度设计和适航验证具有很好的参考意义。