試析飛行員頭盔質量特性測量設備和方法

許星鑫 甘俊杰

（航宇救生裝備有限公司，襄陽 441000）

伴隨著科技的進步以及航空飛行的需求發展，飛行員個體防護裝備功能日趨增多，以飛行頭盔為例。

在實踐應用中，由于頭盔和面罩形狀不規則、材質不均勻以及工藝復雜，在研究和制作過程中充滿了不確定性，例如，電纜和氧氣管的走向和材質、粗細等，依賴理論計算是不夠的，而要準確獲得其質量特性，就必須精確測量頭盔及其附加裝置的質量特性，因此，能夠測量飛行員頭盔質量特性的設備和方法，就具有重要理論意義和現實意義。

1 當前飛行員頭盔測量存在的問題

在早期研究中，為測量頭盔重心，研究員采用轉動的方法，具體操作是在左右對心的兩個水平轉軸上擠壓頭盔，實際上，這種測量方法只是無限接近重心，在操作中定位困難，在測量數據上精度不夠，無法滿足當前飛行員頭盔多種功能集合的需要，因此，早早被淘汰。

此外，測量設備也存在問題，具體包括四個方面：

第一，操作不夠方便。在傳統測量設備中，頭模是被固定于一個六面箱中，一旦調整頭盔，就需要開箱，浪費時間，消耗精力。第二，由于傳統設備中箱體較小，使得測量時不能安裝夜視鏡。顯示器等裝置在頭盔上，偏離了測量的意義。第三，由于采用六面箱體，螺絲固定，使得使用過程中箱體沉、噪音大。第四，最重要的問題誤差較大。因此，測量結果缺乏對頭盔附加裝置的針對性。

2 對測量設備和方法的改進

為解決傳統測量方法和設備造成的問題，本次研究重新設計了針對頭盔質量和重心的測量平臺以及測量方法。

2.1 確定頭盔質量特性測量的坐標系

為對飛行員頭盔進行完整描述。其重心以人頭重心為參考。因此，在頭盔重心測量中，可以應用法蘭克福平面，以兩耳連線的中點，在人頭頭部解刨學的基礎上，建立坐標系。同時，由于頭模是被固定于框架上，因此，未來便于測量，在建立坐標系時，以框架支點確定頭模的人頭頭部解刨學坐標，從而建立頭盔質量特性測量的坐標系，如圖1所示。

2.2 頭盔質量特性測量設備

頭模、框架、承重傳感器平臺、數據采集器和數據處理軟件共同構成了本次頭盔質量特性測量設備，具體構造如圖2所示。

在上述設備中，頭模的作用是為了固定頭盔及面罩。該頭模采用3D打印技術，以樹脂為原材料，針對我國飛行員（男性）的實際頭圍測定數據，按照從小到大，選取數據中第五百分位、第五十百分位以及第九十五百分位的數據，制作出小、中、大三種型號。

圖1 用于頭盔質量特性測量的坐標系

圖2 頭盔質量、重心測量設備

該設備中，用于測量的承重傳感器，起到了支持框架的作用，其測量范圍包括頭模、面罩、頭盔以及框架的重量（重力），在該部分，為使框架穩固，應用三個支持點，建立靜力平衡力系。

在測量過程中，傳感器測得重力會被數據采集器實時采集，為之后的重量及重心計算提供數據支持。該軟件應用計算機設備，計算出頭盔的重量等，依據頭盔在人體頭部解剖學中的坐標系，計算重心位置。其搜集的具體數據包含頭模的質量、框架的質量以及頭模和框架的總質量，等。為方便后續工作，以上數據皆存儲在計算機里。

2.3 頭盔質量特性測量方法

對頭模規格的選取要依據被測量頭盔的規格。先在框架上固定頭模，之后在頭模上正確佩戴被測頭盔。轉移框架至稱重傳感器上，保證三個稱重傳感器對應框架的三個支點。操作計算機，應用數據收集軟件，計算框架靜止后三個稱重傳感器上傳的數據。

其中，被測量的頭盔質量設為m1，統一框架水平放置的3個稱重傳感器讀書分別為N1，N2，N3框架和頭模的質量為m，重力加速為g，質量m1等于三個讀數之和，其公式如下：

三個稱重傳感器的數據從計算機中讀取，用來計算頭盔的重心。在框架水平放置狀態下，只能測量和計算兩個軸上頭盔的重心。為使重心在第三軸上，我們提高了3#稱重傳感器，使框架傾斜一個角度。根據框架放置和傾斜放置兩種狀態下的靜平衡方程，得到框架坐標系下的頭盔重心（x1,y1,z1）。

3 討論與結論

其一，要以人體解剖學坐標系為基準，本次研究中，采用三個支點和三個傳感器的重心測量方法，能夠在提升其中一個傳感器的基礎上，通過使框架傾斜的前后，針對框架的水平放置和傾斜放置的不同，測量三個坐標軸的重心測量，從而簡化測量過程。

其二，創新測量方法，為實現測量轉動慣量，可以同時扭擺三個坐標軸并可90o轉動頭模。固定頭盔在頭模上，按動框架中兩個相互垂直的圓環，以及扭擺平臺上的圓環，實現框架的整體剛性復合體，在測量過程中，確保頭盔穩固。

本次研究改進了飛行員頭盔質量特性測量的設備和方法，能夠有效滿足當下頭盔及其附加裝置的測量要求，該系統具有自動化、量程大、精準高、方便操作等特點，能夠應用于各種頭盔型號的實驗測量。