頭頸部防護裝置對頭頸部損傷的影響分析

劉榮，姜南

航空工業航宇救生裝備有限公司航空防護救生技術航空科技重點實驗室，湖北省 襄陽441000

彈射座椅被譽為藍天上的“生命之舟”，可在危急時刻應急離機[1]，依靠座椅下的動力裝置將飛行員彈出機艙[2]，挽救飛行員的生命。隨著飛機性能的不斷提升，受到現役彈射座椅工作原理和飛行員頭頸部生理結構的制約，應急彈射時飛行員頭頸部損傷的現象時有發生。尤其是在高速彈射出艙時,飛行員的頭頸部不僅受到高達16～20g的彈射載荷[3-5]，還受到彈射座椅轉矩[6]和高速氣流的吹襲。因頭頸部為骨鏈性結構[7]，易造成飛行員頭頸部劇烈前后摔打、左右旋轉扭動，甚至導致死亡[8-9]，有關統計發現，重傷死亡率可高達69%[3,10]。為解決頭頸部損傷過大的問題，美國ACES 5 彈射座椅采用了新型的被動式頭頸防護裝置，即在頭靠系統增加展開式防護裝置，以降低飛行員頸部受傷的風險。頭頸部損傷問題已成為各國從事彈射救生科研工作者的研究重點之一，判斷彈射過程中飛行員頸部是否損傷及如何評估防護效果的好壞問題顯得尤為重要。

本文通過分析對比在850km/h 高速氣流吹襲下，有無頸部防護裝置情況下仿真假人頭頸部的力、力矩和頸部損傷判據值，結果證明，頭頸部防護裝置可以降低力、力矩和損傷判據值，對飛行員頭頸部有一定的防護作用。

1 頭頸部損傷合格判據

2000年前后，美國國家公路運輸安全管理局提出了用于量化評估汽車約束系統的Nij頸部損傷判據[11]；2006年，美國海軍某個專門研究彈射時頭頸部潛在損傷的課題組，提出了一套頸部損傷判據；2015 年，Parr[12]提出了一種基于上頸部損傷的多軸橫向沖擊的損傷標準。我國空軍特色醫學中心于2021 年決定暫用《飛行員防護救生裝備生理衛生學要求》規定的頸部損傷判據（Nij）、x軸的頸部力矩指數（NMIx）和z軸的頸部力矩指數（NMIz）作為我國彈射救生頸部損傷判據，來研究飛行員在彈射過程中的頸部損傷問題。

該生理衛生學要求利用Hybrid III型仿真頸椎測試的力、力矩數值計算頸部損傷指數進行評價，頸部損傷指數包括Nij、NMIx和NMIz。各方向解剖坐標系如圖1所示，“+”和“-”代表方向，下文中出現的方向均與此圖一致。通過測試每發試驗假人上頸部的六分量數據Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，計算Nij、NMIx和NMIz判據值來判斷仿真假人頭頸部是否損傷及損傷概率。美國空軍生命周期管理中心要求滿足的彈射頸部損傷為二級損傷概率AIS2+≤5%，對應的上頸部Nij、NMIx和NMIz耐限值均為0.5，損傷判據值小于規定的耐限值，并不能說明飛行員頭頸部完全不受損傷，只能說明飛行員受二級損傷的概率低于5%，這個概率在規定的范圍內是可接受的[11]。

圖1 解剖坐標系示意圖Fig.1 Anatomical coordinate system diagram

1.1 Nij判據

Nij采用力與力矩的耦合作用，頸部彎曲/延展力矩（My）的評估與頸部拉伸力/壓縮力Fz相對應，計算公式如式（1）所示

式中:Fzcrit和Mycrit分別表示Fz和My的臨界值，具體數值見表1。上頸部Nij耐限值為0.5。

1.2 NMIx判據

頸部力矩指數NMIx用于評估側彎力矩Mx，計算公式如式（2）所示

式中，MxLIM為Mx的臨界值，具體數值見表1。上頸部的NMIx耐限值為0.5。

1.3 NMIz判據

頸部扭矩Mz用NMIz來評估，NMIz計算公式如式（3）所示

式中，MzLIM為Mz的臨界值，具體數值見表1。上頸部NMIz耐限值為0.5。

表1 損傷判據計算所涉及的臨界值Table 1 The critical values involved in injury criteria calculations

2 試驗數據處理及分析

本次高速氣流吹襲試驗的吹風速度為850km/h，使用Hybrid Ⅲ仿真假人50%分位假人（簡稱假人），在有無防護裝置條件下各兩發進行試驗。假人穿戴好防護服及頭盔面罩，按裝機狀態坐在彈射座椅上，在假人的脖頸處安裝傳感器，得到假人脖頸處的受力情況。試驗過程中850km/h 維持約0.5s，根據試驗測得的六分量數據及計算的損傷判據值判斷損傷情況。下文中有無頭頸部防護裝置分別簡稱為有防護和無防護。

2.1 有無防護裝置各方向力對比

第一發試驗有無防護狀態下各方向力對比如圖2 所示，第二發試驗有無防護狀態下各方向力對比如圖3所示。

圖2 第一發試驗有無頭頸部防護裝置力的對比圖Fig.2 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in first test

圖3 第二發試驗有無頭頸部防護裝置力的對比圖Fig.3 Comparison between force with and without head and neck protection device guard in second test

從圖2和圖3可以看出，兩發無防護組的Fx均表現為先突然增大，后急劇減小，再緩慢增大到趨于穩定的過程，當頭頸部的抵抗作用小于氣動力，頭頸部受到-Fx的力，兩發試驗x方向所受力的最大值Fxmax的均值為466N；而有防護組因為在頭頸部提供輔助支撐，從而使得Fx方向受力減小，最大值出現時間延長，數據曲線整體降低，兩發試驗Fxmax均值為181N，相比無防護組的值減小了285N。

無防護的y向受力Fy為先增大后減小再趨于穩定的過程，吹風剛開始，隨著風速逐漸增大，Fy也持續增大，兩發試驗Fymax的均值為661.5N；有防護組的Fy受到氣動力后逐漸增大，數據增長較無防護組更加緩慢，且最大值出現時間延長，有防護組兩發試驗Fymax均值為310.5N，相比無防護組的值減小了351N。

無防護組的Fz整體表現為先增大后減小，結合Fx發現，此時假人頭部向后，受到斜向上方的力，Fz不斷增大，兩發試驗Fzmax均值為1493.5N，后逐漸減?。挥蟹雷o組的Fz最大值出現時間延長，均值Fzmax為731.5N，相比無防護組的值減小了762N。

2.2 有無防護裝置各方向力矩對比

第一發試驗有無防護狀態下各方向力矩對比如圖4所示，第二發試驗有無防護狀態下各方向力矩對比如圖5所示。

圖4 第一發試驗有無頭頸部防護裝置力矩的對比圖Fig.4 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in first test

圖5和圖6為兩發試驗有無防護裝置在x、y和z三個方向上所受力矩對比圖。Mx為側彎力矩，無防護組Mx數據呈先增大后減小趨勢，且基本為“+”值，說明此時假人的頭向右彎曲，最大值Mxmax均值為30N?m；Mx有防護組數據最值出現時間延長，且基本為“-”值，說明此時假人的頭向左側彎曲，最大值Mxmax均值為18.5N?m，相比無防護組的值減小了11.5N?m。

圖5 第二發試驗有無頭頸部防護裝置力矩的對比圖Fig.5 Comparison between moment with and without head and neck protection device guard in second test

My為前后彎矩，“+”為低頭力矩，“-”為抬頭力矩。My無防護組在吹風初始階段，頭頸部有前后的振蕩，后吹風速度逐漸增大，且基本為“+”值，說明此時假人的頭向前彎曲，假人對吹風有一定的抵抗作用，后期氣動力過大，頭頸部向后甩出，兩發試驗My最大值均值Mymax為20.5N?m；My有防護數據組最值出現時間延長，最大值Mymax均值為14N?m，相比無防護組的值減小了6.5N?m。

Mz為扭矩，“+”為向左扭，“-”為向右扭。無防護組假人在吹風初始階段，隨著風速不斷增大，假人頭部向左扭動，最大值Mzmax均值為37N?m，后逐漸減小趨于穩定；有防護組的Mz有兩個峰值，說明有防護組假人有兩次向左扭動，但兩次峰值遠小于無防護組數據，最大值Mzmax均值為12.5N?m，相比無防護組的值減小了24.5N?m。

2.3 有無防護裝置各方向損傷判據對比

第一發試驗有無防護狀態下合格判據對比如圖6 所示，第二發試驗有無防護狀態下合格判據對比如圖7所示。

從圖6和圖7兩發試驗中有無防護裝置Nij的對比圖可以發現，無防護組的Nij的最大值Nijmax均值為0.225；有防護組最值出現時間延后，最大值均值為0.13，相比無防護組的值減小了0.095。因NMIx的值與Mx成正相關，變化趨勢一致，從NMIx的對比圖可以發現，兩發無防護組的最大值NMIxmax均值為0.3；Mx有防護組數據最值出現時間延后，最大值NMIxmax均值為0.17，相比無防護組的值減小了0.13。NMIz的計算公式與NMIx類似，僅與Mz成正相關，從NMIz的對比圖可以看出，無防護最大值NMIzmax均值為0.275；NMIz有防護組數據同Mz曲線一致，出現了兩個峰值，最大值NMIzmax均值為0.09，相比無防護組的值減小了0.185。由以上數據對比可知，有防護組可以在很大程度上減小判據值，降低頭頸部損傷的風險。

圖6 第一發試驗有無頭頸部防護裝置判據的對比圖Fig.6 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in first test

圖7 第二發試驗有無頭頸部防護裝置判據的對比圖Fig.7 Comparison between criterion with and without head and neck protection device guard in second test

3 結束語

本次850km/h高速氣流吹襲試驗下的兩發有無頭頸部防護裝置所受力、力矩和損傷判據值最大值的平均值對比見表2。

表2 有無頭頸部防護裝置力、力矩和判據對比表Table 2 Comparison table of force/moment and criterion with or without head and neck protection device

通過對比結果可以發現:（1）Fxmax相比無防護組的值減小了285N，減小率為61.16%；Fymax相比無防護組的值減小了351N，減小率為53.06%；Fzmax相比無防護的值減小了762N，減小率為51.02%。（2）Mxmax相比無防護的值減小了11.5N?m，減小率為38.33%；Mymax相比無防護的值減小了6.5N?m，減小率為31.71%；Mzmax相比無防護的值減小了24.5N?m，減小率為66.22%。（3）Nijmax相比無防護組的值減小了0.13，減小率為43.33%；NMIxmax相比無防護的值減小了0.095，減小率為42.22%；NMIzmax相比無防護的值減小了0.185，減小率為67.27%。

有防護的數據明顯小于無防護組。在本試驗狀態下，有頸部防護裝置的力、力矩和損傷判據數據值明顯降低，說明頸部防護裝置對飛行員頭頸部有一定的防護作用，可有效降低損傷風險。后續還應繼續進行對比試驗，使結論更具科學性和準確性。