沈文波， 趙培林， 周 方

（1.中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003；2.航空防護(hù)救生技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽 441003；3.成都飛機(jī)設(shè)計(jì)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(yàn)假人是評(píng)價(jià)裝備性能最重要的測試裝置之一。20世紀(jì)50年代，美國Alderson Research Labs和Sierra Engineering等研究機(jī)構(gòu)為美國空海軍研制了第一個(gè)用于飛行員彈射座椅、頭盔和約束系統(tǒng)測試的試驗(yàn)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(chǔ)，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(xù)研發(fā)出以LRE、ADAM、Aerospace、JPATS、ADPATS、HURD為代表的一系列高性能航天航空試驗(yàn)假人[2-4]，其在先進(jìn)防護(hù)救生裝備的研制中發(fā)揮了重要作用。20世紀(jì)80年代以來，在我國自主研發(fā)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(jìn)行基本彈射生理指標(biāo)的測試，其生物仿真度和測試能力已經(jīng)不能滿足科學(xué)評(píng)價(jià)裝備性能的要求，對(duì)裝備研制形成了明顯制約。自21世紀(jì)初，國內(nèi)開展了國產(chǎn)汽車碰撞、航空航天仿真試驗(yàn)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(nèi)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(biāo)測試要求的中國改進(jìn)型混合通用研究假人（china enhanced hybrid universal research dummy，CEHURD）航空試驗(yàn)假人研制項(xiàng)目。

1 我國仿形重心假人的性能限制

1.1 人體尺寸

現(xiàn)有試驗(yàn)假人的人體尺寸參考20世紀(jì)80年代美國軍用標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合當(dāng)時(shí)我國300例男性飛行員的人體測量數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)，分為第5百分位、第50百分位和第95百分位3種規(guī)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(zhì)量塊的方式對(duì)人體質(zhì)量進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，而人體尺寸已經(jīng)固化，難以對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于飛機(jī)彈射救生系統(tǒng)而言，彈射通道的清理是實(shí)現(xiàn)成功救生的重要環(huán)節(jié)，飛機(jī)座艙與人座椅系統(tǒng)的空間關(guān)系以及穿蓋彈射時(shí)通道的清理狀態(tài)對(duì)試驗(yàn)假人作用的載荷有著密切的關(guān)系，當(dāng)飛行員乘員范圍擴(kuò)大后，試驗(yàn)假人的人體尺寸能否準(zhǔn)確代表我國飛行員的特征，將嚴(yán)重影響裝備性能的評(píng)價(jià)。

1.2 人體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

飛行員在彈射過程中要承受復(fù)雜的彈射動(dòng)力載荷、氣動(dòng)載荷和穿蓋撞擊載荷等，這些載荷會(huì)導(dǎo)致人體骨折、軟組織撕裂和臟器出血[8]，國內(nèi)外均設(shè)定了一系列生理損傷耐限指標(biāo)評(píng)價(jià)防護(hù)救生裝備性能[9-10]。為保證試驗(yàn)假人測試的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)代表真人的生理響應(yīng)，在人體結(jié)構(gòu)上，要求假人的各活動(dòng)組成部件能夠真實(shí)模擬飛行員乘坐、受氣流吹襲時(shí)的肢體摔打、頭頸部運(yùn)動(dòng)，與彈射座椅分離后及降落傘開傘、穩(wěn)降過程中的各種姿態(tài)；在力學(xué)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(xiàn)有仿形重心假人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了軀干及四肢的運(yùn)動(dòng)分段，但各關(guān)節(jié)均為簡單的單、雙耳連接方式，其活動(dòng)范圍以及肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的IG平衡及關(guān)節(jié)的阻尼特性[6]并不具備擬人的特性；假人內(nèi)部骨架均為鋁制品，試驗(yàn)過程中的飛脫或損壞，對(duì)裝備性能評(píng)價(jià)帶來嚴(yán)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(xué)性能不能逼真地反映人體對(duì)外部載荷的響應(yīng)。

1.3 傳感器及測試系統(tǒng)

內(nèi)置在假人體內(nèi)的傳感器既是敏感外部載荷的測量單元，也是假人結(jié)構(gòu)的有機(jī)部分，傳感器的外形及安裝接口與相關(guān)的人體結(jié)構(gòu)必須適配；同時(shí)，傳感器均應(yīng)具有多分量的測試能力，以便能夠更細(xì)致地觀察人體對(duì)外部載荷的響應(yīng)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(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，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(nèi)置多分量傳感器通過假人人體結(jié)構(gòu)傳遞載荷的測量方式相比較，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和表達(dá)能力存在明顯的限制。

2 適用性設(shè)計(jì)方案

2.1 適用性設(shè)計(jì)原則

1）充分延用先進(jìn)的生物仿真性能，分項(xiàng)改進(jìn)以保證整體性能為原則。

通過對(duì)美國已有航空航天仿真假人成熟產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)與我國軍用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較接近，改進(jìn)的難度和成本最適宜。

在兼顧性能和成本時(shí)，必須舍棄一些非核心細(xì)節(jié)的要求，出于成本考慮而進(jìn)行的假人尺寸、結(jié)構(gòu)、傳感器和測試系統(tǒng)的分項(xiàng)改進(jìn)，必須保證對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響是可以接受的。

2）針對(duì)影響彈射性能評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)行人體尺寸特征項(xiàng)目的剪裁。

我國飛行員人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)的測量基礎(chǔ)項(xiàng)目共有141項(xiàng)[11]，在以適用性改進(jìn)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案中，若全部采用標(biāo)準(zhǔn)提出的人體參數(shù)，需要對(duì)制造模具進(jìn)行大量更改，成本較高，必要性也不大。通過分析人體特征項(xiàng)目對(duì)彈射過程裝備性能評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)程度，確定需要嚴(yán)格滿足中國標(biāo)準(zhǔn)的人體特征項(xiàng)目，如表1所示。

3）按照我國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量項(xiàng)目，進(jìn)行傳感器和測試系統(tǒng)的配置及改進(jìn)。

我國自上世紀(jì)80年代起陸續(xù)建立了一系列飛行員彈射損傷測試與判斷標(biāo)準(zhǔn)，提出了人體彈射過載、穿蓋撞擊載荷、高速氣流吹襲時(shí)頸部、四肢載荷等生理耐限評(píng)價(jià)項(xiàng)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(qū)別，需要對(duì)傳感器及假人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

表1 假人人體特征項(xiàng)目剪裁

彈射救生系統(tǒng)彈射試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)測量通常由一套復(fù)雜的電測、遙測和光學(xué)測試系統(tǒng)完成，各個(gè)分系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)通過時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)建立時(shí)間聯(lián)系；在假人測試系統(tǒng)配置時(shí)需要考慮時(shí)統(tǒng)的接入及與其他分系統(tǒng)的協(xié)作，在測試系統(tǒng)的電源能力、數(shù)據(jù)備份等方面也需要結(jié)合試驗(yàn)的要求進(jìn)行適應(yīng)改進(jìn)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 假人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(qū)域的擴(kuò)大，彈射救生裝備的適用乘員范圍要求更寬。裝備鑒定試驗(yàn)通常選擇偏極限大小的模擬乘員作為嚴(yán)酷考核狀態(tài)，因此，按照1%th百分位和98%th百分位兩種規(guī)格對(duì)假人相關(guān)部件的尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CEHURD仿真假人結(jié)構(gòu)示意圖

假人頭部的尺寸和外形影響飛行員頭盔系統(tǒng)的保持狀態(tài)和頭部的受力狀態(tài)，頭部的質(zhì)量特性則影響彈射過程中產(chǎn)生在頸部的載荷。盡管美國軍方確定了一組標(biāo)準(zhǔn)的假人頭部，并應(yīng)用在多個(gè)彈射座椅驗(yàn)證計(jì)劃中[12-13]；然而，由于部分標(biāo)準(zhǔn)頭部的枕髁（occipital condoyle）位于真人枕髁之上[9]，會(huì)顯著減弱頭部和頸部的響應(yīng)，并不適合用于頭頸部的損傷評(píng)價(jià)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，研究者通過對(duì)大量人體樣本進(jìn)行頭部三維表面掃描和利用56例尸體對(duì)象試驗(yàn)的方式，分析得出一組與枕髁位置關(guān)聯(lián)的頭部重心數(shù)據(jù)，CEHURD假人采用了符合此特征的JSF大小號(hào)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(shù)據(jù)記錄設(shè)備的主要空間，根據(jù)選用的測試設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸，并考慮到提高主要生理判據(jù)指標(biāo)測試的可靠性，增加了一套微型備份數(shù)據(jù)采集器的安裝空間。

我國新型彈射座椅均采用了抬腿機(jī)構(gòu)以提高對(duì)飛行員腿部的防護(hù)能力。抬腿機(jī)構(gòu)工作時(shí)，將大腿抬高約160mm（繞髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度約為20°），要求假人大腿活動(dòng)范圍及其對(duì)作用力的響應(yīng)與真人相似，而美國假人不能嚴(yán)格滿足此要求，其改進(jìn)設(shè)計(jì)通過對(duì)假人髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍以及大腿根部皮膚的局部調(diào)整實(shí)現(xiàn)，其抬腿力矩與角度之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 CEHURD抬腿力矩與活動(dòng)角度關(guān)系圖

2.2.2 傳感器配置及改進(jìn)

CEHURD仿真假人選用了結(jié)構(gòu)和測量功能一體化設(shè)計(jì)的傳感器，這種方式避免了因加裝測試設(shè)備對(duì)假人質(zhì)量特性、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(biāo)見表2。

表2 CEHURD假人傳感器配置

為滿足我國軍用標(biāo)準(zhǔn)穿蓋彈射肩部撞擊載荷的測試要求，對(duì)假人的肩部結(jié)構(gòu)和肩部傳感器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 假人肩部及肩部載荷傳感器結(jié)構(gòu)

2.2.3 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)配置

在傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要使用數(shù)目繁多的測試電纜、接插件將假人各部位的傳感器信號(hào)連接在位于假人胸腔或腰椎部位的數(shù)據(jù)采集器上，在動(dòng)態(tài)載荷作用下，容易發(fā)生脫落、斷裂的情況，數(shù)據(jù)集中在一臺(tái)采集器記錄，增加了丟失全部數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)；測試系統(tǒng)的布局對(duì)假人關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和質(zhì)量、重心的影響也較大。CEHURD選擇了一種基于分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過在人體遠(yuǎn)端傳感器上加裝微型采集記錄設(shè)備形成一個(gè)獨(dú)立的測量節(jié)點(diǎn)，通過HUB將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過單根通信線傳送給主控制器，系統(tǒng)可靠性得到了顯著提高。

3 結(jié)果及應(yīng)用

對(duì)完成適用性改進(jìn)的假人進(jìn)行各部件的質(zhì)量特性、關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和整體重心等參數(shù)的測試；并通過對(duì)頭部、頸部、胸部組件，腰椎組件，腿部組件等施加標(biāo)準(zhǔn)的外部沖擊載荷[14]，判斷假人的力學(xué)響應(yīng)是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。系列測試結(jié)果表明，假人的生物仿真性能全部符合規(guī)范要求。圖5顯示了假人腹部的標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)定范圍的關(guān)系。

圖5 假人腹部標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

圖6 人體彈射過載

利用CEHURD仿真假人進(jìn)行多次彈射救生系統(tǒng)的地面有速度綜合性能試驗(yàn)，測試了彈射過程中人體加速度載荷、人-座椅系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)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(jù)指標(biāo)；試驗(yàn)結(jié)果表明，假人及其數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，測試數(shù)據(jù)的精度和表達(dá)能力顯著提升，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足彈射試驗(yàn)的力學(xué)環(huán)境條件。圖6為人體彈射過載的測試結(jié)果。

4 結(jié)束語

經(jīng)過適用性改進(jìn)的CEHURD仿真假人將在新的彈射損傷機(jī)理研究、我國新一代彈射救生裝備研制過程中發(fā)揮突出作用。作為一種特殊的測量裝置，為了保證測試結(jié)果的一致性和可對(duì)比性，研究者應(yīng)進(jìn)一步開展航空仿真假人及測試系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作，對(duì)系統(tǒng)的測量特性進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一。

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