X型結構航空座椅吸能參數(shù)確定方法

晏 濤，薛萌萌，肖光潤，王中任

（1.湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053；2.航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

航空座椅在保護乘員方面具有十分重要的作用，在航空器墜撞過程中，航空座椅大多通過座椅主結構或專有吸能部件吸收墜撞沖擊能量以保護乘員生命安全。美國在進行航空器結構抗墜毀設計的研究時，對航空座椅以及乘員約束系統(tǒng)投入了大量精力，先后制定了SAE ARP5526C《飛機座椅設計指南》[1]及SAE AS8049B《民用旋翼航空器、運輸類飛機和通用航空飛機座椅性能》[2]用以指導航空座椅的設計。

目前旋翼航空器座椅及運輸機座椅通常安裝有專有吸能部件，這些專有吸能部件大多近似垂直安裝在座椅的主骨架上，墜撞時，乘員和座椅可動部分一起沿座椅主桿向下移動，吸能部件通過金屬的塑性變形吸收沖擊能量，但是這種安裝方式需要較大的座艙空間和吸能行程。某些通用小飛機座椅由于受制于座艙空間的狹小，往往不帶專有吸能部件，但是在特殊設計要求下，僅僅依靠座椅主結構，往往達不到設計指標[3]，為此本文探討了在通用航空器X型結構座椅上安裝專有吸能部件的可行性，并對推導了X型結構的航空座椅專有吸能部件關鍵參數(shù)確定方法。

1 航空座椅分類及動態(tài)性能指標

1.1 航空座椅分類

航空座椅按照不同的分類方法有不同結果，在實際設計過程中通常按照使用用途分為旅客座椅或者乘員座椅、駕駛員座椅（或者叫機組座椅）、工作人員座椅。其中旅客座椅一般設置在客艙內，數(shù)量較多；駕駛員座椅設置在駕駛艙內，一般設置兩臺，特殊情況會有一定數(shù)量的變化；工作人員座椅位置、構型及安裝方式就比較復雜，根據不同飛機型號，有不同的設置，如觀察員座椅、乘務員座椅、操作員座椅等，其連接方式也各有區(qū)別，如固定連接、滑軌連接、與壁板連接等。

但是在進行座椅性能指標驗證時，按照使用用途的分類方法往往較繁瑣，故本文按照美國機動車工程師協(xié)會編制的AS 8049B《民用旋翼航空器、運輸類飛機和通用航空航空座椅的性能標準》，將座椅根據不同航空器類型，分為A、B、C三類，分別對應運輸機座椅、旋翼航空器座椅和通用航空器座椅[2]。

1.2 航空座椅的動態(tài)性能指標

航空座椅最基本的性能指標包括座椅靜強度指標和動態(tài)性能指標兩個部分，其中航空座椅的動態(tài)性能指標是進行座椅專有吸能部件設計時的重要依據。動態(tài)性能也是適墜性座椅的一項重要指標，其目的是在墜毀時，通過座椅的柔性吸能設計，降低傳遞到乘員身上的危險載荷，直至達到人體的生理耐限指標。動態(tài)試驗中，要求座椅不得屈服到阻礙飛機乘員迅速撤離的程度，美國聯(lián)邦航空管理局FAA對各類航空座椅的動態(tài)性能試驗做了明確要求[1-3]，如表1所示。

表1 各類航空座椅動態(tài)性能試驗要求

2 X型結構航空座椅吸能參數(shù)確定

2.1 吸能器行程的確定

按照FAA第4部23部分的規(guī)定[4]，C類航空座椅在進行動態(tài)性能試驗驗證時需受到垂直方向大于19 g的垂直減速度，減速度的大小介于A類（14 g）與B類（30 g）之間。由于C類航空座椅垂直沖擊試驗要求并不高，而且在具體工程研制時座椅結構常常受到機艙大小與其本身調節(jié)功能要求的限制，并不能像B類航空座椅一樣在靠背位置垂直安裝專有吸能部件。因此，現(xiàn)階段我國自主研發(fā)的C類航空座椅大多都沒有采用專有吸能部件，而是使用座椅主結構變形吸能的方式來吸收墜撞時產生的能量沖擊。

雖然某些通過主結構變形吸能的C類航空座椅通過了垂直動態(tài)沖擊試驗，但是試驗過程普遍曲折，反復試驗次數(shù)較多。這是因為通過座椅主結構變形來吸能的方式沒有合適的理論計算方法，只能通過試驗反復摸索，在反復試驗的過程中產生了較大的花費。

在某型C類航空座椅的開發(fā)過程中考慮到飛機駕駛艙狹小，駕駛員座椅座面高度比較低，并要求在駕駛員臀部不離開座面的情況下能夠實現(xiàn)座椅高度調節(jié)，靠背角度調節(jié)等功能，最終選用X型結構的升降底座，但是在進行垂直沖擊試驗時，試驗假人的腰椎載荷超過人體耐受極限6 672 N[5]。

由于X型底座垂直方向的空間非常緊湊，故在水平方向上安裝專有吸能部件，如圖1所示。當座椅受到垂直方向的沖擊時，人與座板壓迫X型底座，垂直方向的沖擊轉化為水平方向的沖擊，從而拉動水平方向的吸能部件，當沖擊達到啟動載荷后，吸能部件開始工作，并吸收沖擊能量，完成對人體的保護。

圖1 某型通用類航空座椅

X型件受壓變形簡化模型如圖2所示，吸能裝置在水平方向的行程△L可以通過人機相對位移S求得，計算公式如下：

式中：△L表示吸能部件的吸能行程，S表示人機垂直方向的相對位移，2L為X型件的長度，θ1為變形前X型件的夾角，θ2為變形后X型件的夾角。需要指出的是公式（1）求得的是吸能部件必須滿足的最小行程，由于人體剛度、座椅剛度、各種阻尼等因素的影響，在設計時對吸能部件的吸能行程往往需要考慮一定的裕度，圖2所示。

圖2 X型底座變形簡化模型

2.2 吸能部件緩沖載荷的確定

當人體受到的墜撞沖擊達到臨界許用載荷時，垂直方向的力在X型件上水平方向的分力就是吸能部件的啟動載荷。人體在垂直方向受到的臨界沖擊力[6]為 F=G許用·g·mmin，其中 mmin為乘員最小質量，G許用為人體可耐受過載，g為重力加速度。X型件上受力分析如圖3所示，則吸能部件啟動載荷為：

圖3 X型底座受力分析

隨著人體受到的沖擊達到，吸能部件開始啟動，座椅向下位移。由于安裝方式的原因，隨著X型件夾角θ變小，作用于吸能部件上的力值隨之增大，如圖4所示。但是θ的極限值可由吸能行程及X型底座變形前和變形后的尺寸X1、X2表示。為使吸能部件行程最小化，在理論上，整個吸能階段需要人體一直受到穩(wěn)定的人體耐受極限載荷G許用，但是由于θ變化，需要求出吸能部件緩沖力的范圍，通過三角函數(shù)轉化可以得到所需吸能部件緩沖載荷的表達式為：

圖4 X型底座變形轉化

3 結束語

本文首先討論了航空座椅的分類，收集整理了航空座椅的動態(tài)性能指標，并探討了X型吸能結構在通用飛機座椅上的安裝方式，由X型機構簡化模型，及變形前后的幾何關系可以推導出吸能部件的吸能行程及緩沖載荷計算公式，以指導吸能部件的設計。