航空仿真試驗假人的適用性設計

沈文波， 趙培林， 周 方

（1.中航工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；2.航空防護救生技術航空科技重點實驗室，湖北 襄陽 441003；3.成都飛機設計研究所，四川 成都 610091）

0 引 言

在飛行員彈射救生裝備的研制中，試驗假人是評價裝備性能最重要的測試裝置之一。20世紀50年代，美國Alderson Research Labs和Sierra Engineering等研究機構為美國空海軍研制了第一個用于飛行員彈射座椅、頭盔和約束系統測試的試驗假人[1]，1960年，研制出第一代具有仿真性能的重心假人GARD，以此為基礎，不斷開展提高假人生物仿真度和測試能力的研究工作，陸續研發出以LRE、ADAM、Aerospace、JPATS、ADPATS、HURD為代表的一系列高性能航天航空試驗假人[2-4]，其在先進防護救生裝備的研制中發揮了重要作用。20世紀80年代以來，在我國自主研發彈射救生裝備的過程中，一直使用同期研制的仿形重心假人進行基本彈射生理指標的測試，其生物仿真度和測試能力已經不能滿足科學評價裝備性能的要求，對裝備研制形成了明顯制約。自21世紀初，國內開展了國產汽車碰撞、航空航天仿真試驗假人的研究并取得了系列成果[5-7]，但尚未形成系列，不能全面滿足裝備科研的需求。作為一種解決工程需求的途徑，國內科研單位與美國HUMANATICS公司開展了適合中國飛行員人體特征、滿足國軍標測試要求的中國改進型混合通用研究假人（china enhanced hybrid universal research dummy，CEHURD）航空試驗假人研制項目。

1 我國仿形重心假人的性能限制

1.1 人體尺寸

現有試驗假人的人體尺寸參考20世紀80年代美國軍用標準，并結合當時我國300例男性飛行員的人體測量數據而設計，分為第5百分位、第50百分位和第95百分位3種規格。采用GJB 4856——2003《中國男性飛行員人體尺寸》后，通過局部增加質量塊的方式對人體質量進行了相應調整，而人體尺寸已經固化，難以對實物進行調整。

對于飛機彈射救生系統而言，彈射通道的清理是實現成功救生的重要環節，飛機座艙與人座椅系統的空間關系以及穿蓋彈射時通道的清理狀態對試驗假人作用的載荷有著密切的關系，當飛行員乘員范圍擴大后，試驗假人的人體尺寸能否準確代表我國飛行員的特征，將嚴重影響裝備性能的評價。

1.2 人體結構和力學性能

飛行員在彈射過程中要承受復雜的彈射動力載荷、氣動載荷和穿蓋撞擊載荷等，這些載荷會導致人體骨折、軟組織撕裂和臟器出血[8]，國內外均設定了一系列生理損傷耐限指標評價防護救生裝備性能[9-10]。為保證試驗假人測試的數據能夠真實代表真人的生理響應，在人體結構上，要求假人的各活動組成部件能夠真實模擬飛行員乘坐、受氣流吹襲時的肢體摔打、頭頸部運動，與彈射座椅分離后及降落傘開傘、穩降過程中的各種姿態；在力學性能上，要求假人的各部件要具有擬人的力（力矩）-變形特性。

現有仿形重心假人的結構設計考慮了軀干及四肢的運動分段，但各關節均為簡單的單、雙耳連接方式，其活動范圍以及肩關節、肘關節、髖關節和膝關節的IG平衡及關節的阻尼特性[6]并不具備擬人的特性；假人內部骨架均為鋁制品，試驗過程中的飛脫或損壞，對裝備性能評價帶來嚴重干擾；假人的皮膚使用較高硬度的橡膠包覆在骨架上，皮膚材料的力學性能不能逼真地反映人體對外部載荷的響應。

1.3 傳感器及測試系統

內置在假人體內的傳感器既是敏感外部載荷的測量單元，也是假人結構的有機部分，傳感器的外形及安裝接口與相關的人體結構必須適配；同時，傳感器均應具有多分量的測試能力，以便能夠更細致地觀察人體對外部載荷的響應情況。

目前仿形重心假人使用的傳感器沒有采取測量功能與結構一體化設計，用于測量穿蓋載荷的單軸向力傳感器加裝在假人的頭、肩、膝部，傳感器的一端露在人體外以便與碰撞物接觸感受載荷，與內置多分量傳感器通過假人人體結構傳遞載荷的測量方式相比較，測試數據的準確性和表達能力存在明顯的限制。

2 適用性設計方案

2.1 適用性設計原則

1）充分延用先進的生物仿真性能，分項改進以保證整體性能為原則。

通過對美國已有航空航天仿真假人成熟產品的數據分析發現，JPATS Case 4和JPATS Case 7假人分別代表“坐高較高、肢體偏短”、“尺寸全面偏小”的人體特征，其主要特征數據與我國軍用標準統計數據比較接近，改進的難度和成本最適宜。

在兼顧性能和成本時，必須舍棄一些非核心細節的要求，出于成本考慮而進行的假人尺寸、結構、傳感器和測試系統的分項改進，必須保證對系統整體性能的影響是可以接受的。

2）針對影響彈射性能評價的關聯程度，進行人體尺寸特征項目的剪裁。

我國飛行員人體尺寸標準統計的測量基礎項目共有141項[11]，在以適用性改進為目標的設計方案中，若全部采用標準提出的人體參數，需要對制造模具進行大量更改，成本較高，必要性也不大。通過分析人體特征項目對彈射過程裝備性能評價的關聯程度，確定需要嚴格滿足中國標準的人體特征項目，如表1所示。

3）按照我國軍用標準規定的測量項目，進行傳感器和測試系統的配置及改進。

我國自上世紀80年代起陸續建立了一系列飛行員彈射損傷測試與判斷標準，提出了人體彈射過載、穿蓋撞擊載荷、高速氣流吹襲時頸部、四肢載荷等生理耐限評價項目；其中，人體頭頸部、肩部的測試要求與美國假人存在明顯區別，需要對傳感器及假人的結構進行相應的改進。

表1 假人人體特征項目剪裁

彈射救生系統彈射試驗過程的數據測量通常由一套復雜的電測、遙測和光學測試系統完成，各個分系統的測試數據通過時間統一系統建立時間聯系；在假人測試系統配置時需要考慮時統的接入及與其他分系統的協作，在測試系統的電源能力、數據備份等方面也需要結合試驗的要求進行適應改進。

2.2 設計方案

2.2.1 假人結構設計

隨著我國空軍女性飛行員的增加、男性飛行員體形特征變化以及裝備出口區域的擴大，彈射救生裝備的適用乘員范圍要求更寬。裝備鑒定試驗通常選擇偏極限大小的模擬乘員作為嚴酷考核狀態，因此，按照1%th百分位和98%th百分位兩種規格對假人相關部件的尺寸進行重新設計。其整體結構如圖1所示。

圖1 CEHURD仿真假人結構示意圖

假人頭部的尺寸和外形影響飛行員頭盔系統的保持狀態和頭部的受力狀態，頭部的質量特性則影響彈射過程中產生在頸部的載荷。盡管美國軍方確定了一組標準的假人頭部，并應用在多個彈射座椅驗證計劃中[12-13]；然而，由于部分標準頭部的枕髁（occipital condoyle）位于真人枕髁之上[9]，會顯著減弱頭部和頸部的響應，并不適合用于頭頸部的損傷評價，結構如圖2所示，研究者通過對大量人體樣本進行頭部三維表面掃描和利用56例尸體對象試驗的方式，分析得出一組與枕髁位置關聯的頭部重心數據，CEHURD假人采用了符合此特征的JSF大小號頭部。

圖2 假人枕髁位置（左為真人，右為假人）

假人的脊椎空腔是放置數據記錄設備的主要空間，根據選用的測試設備結構尺寸，并考慮到提高主要生理判據指標測試的可靠性，增加了一套微型備份數據采集器的安裝空間。

我國新型彈射座椅均采用了抬腿機構以提高對飛行員腿部的防護能力。抬腿機構工作時，將大腿抬高約160mm（繞髖關節的活動角度約為20°），要求假人大腿活動范圍及其對作用力的響應與真人相似，而美國假人不能嚴格滿足此要求，其改進設計通過對假人髖關節的活動范圍以及大腿根部皮膚的局部調整實現，其抬腿力矩與角度之間的關系如圖3所示。

圖3 CEHURD抬腿力矩與活動角度關系圖

2.2.2 傳感器配置及改進

CEHURD仿真假人選用了結構和測量功能一體化設計的傳感器，這種方式避免了因加裝測試設備對假人質量特性、關節運動范圍帶來的影響，主要的載荷傳感器均具有多分量的測試能力。傳感器的配置及主要指標見表2。

表2 CEHURD假人傳感器配置

為滿足我國軍用標準穿蓋彈射肩部撞擊載荷的測試要求，對假人的肩部結構和肩部傳感器進行了重新設計，如圖4所示。

圖4 假人肩部及肩部載荷傳感器結構

2.2.3 數據測試系統配置

在傳統的集中式數據采集系統中，需要使用數目繁多的測試電纜、接插件將假人各部位的傳感器信號連接在位于假人胸腔或腰椎部位的數據采集器上，在動態載荷作用下，容易發生脫落、斷裂的情況，數據集中在一臺采集器記錄，增加了丟失全部數據的風險；測試系統的布局對假人關節活動范圍和質量、重心的影響也較大。CEHURD選擇了一種基于分布式結構的數據采集系統，通過在人體遠端傳感器上加裝微型采集記錄設備形成一個獨立的測量節點，通過HUB將各節點數據通過單根通信線傳送給主控制器，系統可靠性得到了顯著提高。

3 結果及應用

對完成適用性改進的假人進行各部件的質量特性、關節活動范圍和整體重心等參數的測試；并通過對頭部、頸部、胸部組件，腰椎組件，腿部組件等施加標準的外部沖擊載荷[14]，判斷假人的力學響應是否在規定的范圍內。系列測試結果表明，假人的生物仿真性能全部符合規范要求。圖5顯示了假人腹部的標定試驗結果與規定范圍的關系。

圖5 假人腹部標定試驗結果

圖6 人體彈射過載

利用CEHURD仿真假人進行多次彈射救生系統的地面有速度綜合性能試驗，測試了彈射過程中人體加速度載荷、人-座椅系統旋轉角速度、穿蓋過程中頭、頸、肩、腿部載荷等主要的生理損傷判據指標；試驗結果表明，假人及其數據測試系統工作穩定、可靠，測試數據的精度和表達能力顯著提升，系統的結構強度能夠滿足彈射試驗的力學環境條件。圖6為人體彈射過載的測試結果。

4 結束語

經過適用性改進的CEHURD仿真假人將在新的彈射損傷機理研究、我國新一代彈射救生裝備研制過程中發揮突出作用。作為一種特殊的測量裝置，為了保證測試結果的一致性和可對比性，研究者應進一步開展航空仿真假人及測試系統的國家標準建設工作，對系統的測量特性進行規范和統一。

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