CN102774501A - 直升机抗坠毁座椅的减力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直升机抗坠毁座椅的减力装置，用于减少乘员所受载荷，包括座椅，所述座椅包括椅盆（1），座椅侧壁（2），靠背（3），头靠（4）和吸能器（5），所述座椅侧壁（2）设置在椅盆（1）两侧，所述靠背（3）底部设置于椅盆（1）的另两侧边的任一边上，所述头靠（4）设置于靠背（3）顶部，所述吸能器（5）设置于所述靠背（3）上，还包括:加速度传感器（6）、控制器（7）、气源（8）、以及一个以上的气动肌肉。本发明不仅结构简单并且能有效地提高全体乘员的生存性。

Description

直升机抗坠毁座椅的减力装置

技术领域

本发明涉及一种直升机抗坠毁座椅的减力装置，属于飞机座椅布置技术领域。

背景技术

目前，随着直升机技术的发展，抗坠毁设计成为直升机设计工作中越来越重要的组成部分。抗坠毁座椅直接为乘员提供保护，是构成直升机抗坠毁能力的重要部件。直升机的抗坠吸能主要分为三个层级两个阶段，三个层级分别为起落架、抗坠地板结构和抗坠毁座椅。两个阶段为：第一阶段，从机轮触地到缓冲器被完全压缩，发生在直升机与地面碰撞初期，变形主要集中在起落架上，主要是起落架缓冲器和机轮吸能；第二阶段包括起落架变形直至破坏，机身触地，由机身塑性变形和座椅及附件的缓冲与变形来吸收剩余能量。

座椅和乘员约束系统在抗坠毁过程中是与人直接接触的最为密切的因素，也是保障驾驶员和旅客安全的最后防线，从吸能顺序连来看，座椅及其附件承担的任务是将经过起落架和机身两级吸能后的冲击削弱到人体可以承受的水平。

座椅吸能装置简称吸能器，是抗坠毁座椅的关键部件，它在飞机坠落时限制从机身传到乘员的载荷，以减少乘员由于加速度引起的伤亡。座椅吸能装置对维持座椅结构的完整性和提高乘员的生存率起着举足轻重的作用。Major A E在《Gilewicz assessment of the benefits of aircraft crashworthiness》一文中指出，未装吸能器时，一年内发生的事故中由加速度造成的损伤，飞行员为23.3％，其它乘员为42％，由加速度造成的死亡，飞行员为18％，其它乘员为54％；在安装吸能器后，这种情况得到极大的改善。

目前装备直升机上的吸能器多数是翻卷管式吸能器。该翻卷管式吸能器为变载吸能器，当翻卷管式吸能器承受冲击载荷时，翻弯管发生塑性变形，由双层管变成单层管，在这一过程中吸收能量，当施加反向载荷时，单层管又恢复成双层管，又一次吸收能量。

抗坠毁座椅坠地瞬间的工作过程是：在坠地瞬间坠毁力的作用下，乘员和座椅椅盆以一个恒定的启动载荷沿座椅骨架的两个滑柱向下位移，直到坠毁力小于启动载荷以后，位移才停止。

成自龙等在《人体坐姿着陆冲击(+Gz)耐限区间的研究》中指出坠地时，乘员主要承受+Gz方向(从脚到头方向)和-Gx方向(从胸到背方向)的载荷，由于乘员在-Gx方向的耐限比较大，因此，主要考虑+Gz方向。

马登武等人在《武装直升机抗坠毁技术研究》中指出能量吸收系统的设计必须考虑乘员的全体重量范围。目前的两种吸能器都只考虑了部分乘员，这导致过轻的乘员承受较大的过载，过重的乘员有可能因为座椅行程过大引发“撞底”的问题。目前的现役机型中，在+Gz方向保护乘员安全的装置有定载吸能器和变载吸能器。定载吸能器以50百分位重量的乘员，满足95％的生存率为条件设计，它有效地降低了乘员感受的加速度，保护了乘员的安全。但是，定载吸能器对太轻或太重的乘员(重量范围波段两边的乘员)的保护却不那么有效；对重量重的乘员，定载吸能器动作载荷太小，并有潜在的座椅“撞底”的危险；而重量轻的乘员却不能充分利用有效的冲击行程，以降低实际感受的加速度，反而可能受到比预想的更高的加速度冲击。变载吸能器的产生弥虽然补定载吸能器的一些不足，比如：变载吸能器为5百分位到95百分位男性乘员提供保护，但是重量轻的乘员却不能充分利用有效的冲击行程，反而可能受到比预想的更高的加速度冲击。变载吸能器仍然没有考虑全体乘员。

发明内容

本发明针对上述问题的不足，提出一种能提高全体乘员的生存性并且结构简单的直升机抗坠毁座椅的减力装置。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种直升机抗坠毁座椅的减力装置，用于减少乘员所受载荷，包括座椅，所述座椅包括椅盆(1)，座椅侧壁(2)，靠背(3)，头靠(4)和吸能器(5)，所述座椅侧壁(2)设置在椅盆(1)两侧，所述靠背(3)底部设置于椅盆(1)的另两侧边的任一边上，所述头靠(4)设置于靠背(3)顶部，所述吸能器(5)设置于所述靠背(3)上，还包括：加速度传感器(6)、控制器(7)、气源(8)、以及一个以上的气动肌肉；所述加速度传感器用于采集椅盆底部的垂向方向的加速度信息并将该加速度信息传送给控制器；所述控制器(7)用于根据加速度传感器(6)的传输信息控制气源(8)驱动气动肌肉(9)工作，减少乘员的过载；所述气源(8)用于接受控制器(7)的控制来驱动气动肌肉(9)工作。

优选的：所述气动肌肉为两个。

优选的：所述吸能器(5)为变载吸能器或定载吸能器。

优选的：所述吸能器(5)为定载吸能器，所述气动肌肉至少需要减小的载荷为1058.4N。

优选的：所述吸能器(5)为变载吸能器，所述气动肌肉至少需要减小的载荷为323.4N。

优选的：所述气动肌肉均为MAS-20系列的气动肌肉。

优选的：所述气动肌肉均为MAS-10系列的气动肌肉。

优选的：所述座椅侧壁(2)为向外延伸的喇叭口形状。

本发明的直升机抗坠毁座椅的减力装置，相比现有技术，具有以下有益效果：由于本发明在现有吸能器的情况下，采用一个以上的气动肌肉通过控制器控制来降低乘客所受的载荷，因此其结构简单，并且能有效的降低乘客所受的载荷，因此能有效提高全体乘员的生存性。而且由于采用气动肌肉作为驱动器，因此本发明具有无污染、工作环境适应性好、控制动作迅速且反应快、元件结构简单等特点。由于采用气压传动技术，因此本发明具有低成本、清洁安全、安装简便，而且高功率/质量比和高功率/体积比是气动肌肉相比较与传统驱动器最明显的优点，并且它具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，。所述吸能器为定载吸能器时，由于定载吸能器只考虑了50百分位重量的乘员，重量小于50百分位重量的乘员会承受比规定值大的过载，此时控制器控制气源驱动气动肌肉工作，减少乘员的过载；所述吸能器为变载吸能器时，由于变载吸能器为无装备的5百分位到全副武装的95百分位男性乘员提供保护，重量小于5百分位重量的乘员会承受比规定值大的过载，当重量轻的乘员乘坐时，控制器控制气源驱动气动肌肉工作，减少乘员的过载，因而在对现有直升机机载装置不大改动的情况下有效调节乘员的过载，有效的保障乘员的安全，并且提高了全体乘员的生存性。由于气动肌肉为两个，因此每个气动肌肉均能够有效分担乘员的过载，且采用本发明后飞机地板不会塌陷。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的工作状态图；

图4是图3的左视图；

其中：1为椅盆，2为座椅侧壁，3为靠背，4为头靠，5为吸能器，6为加速度传感器，7为控制器，8为气源，9为气动肌肉，10为地板。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

实施例

本实施例的一种直升机抗坠毁座椅的减力装置如图1-4所示，一种直升机抗坠毁座椅的减力装置，用于减少乘员所受载荷，包括座椅，所述座椅包括椅盆1，座椅侧壁2，靠背3，头靠4和吸能器5，所述座椅侧壁2设置在椅盆1两侧，所述靠背3底部设置于椅盆1的另两侧边的任一边上，所述头靠4设置于靠背3顶部，所述吸能器5设置于所述靠背3上，还包括：加速度传感器6、控制器7、气源8、以及一个以上的气动肌肉；所述加速度传感器6一端与椅盆1底部相连，另一端与控制器7输入端相连，所述控制器7输出端于气源8输入端相连，所述气源8输出端均与气动肌肉9输入端相连，所述气动肌肉9一端均连接在椅盆底部，另一端均与地板10接触；所述加速度传感器用于采集椅盆底部的垂向方向的加速度信息并将该加速度信息传送给控制器；所述控制器7用于根据加速度传感器6的传输信息控制气源8驱动气动肌肉9工作，减少乘员的过载；所述气源8用于接受控制器7的控制来驱动气动肌肉9工作。所述气动肌肉为两个。所述座椅侧壁2为向外延伸的喇叭口形状。

所述气动肌肉9包括内部橡胶管和外部纤维编织网。橡胶管充气膨胀和纤维网紧紧贴住。随着压力的变大，纤维网编织角变大，引起气动肌肉的收缩。气动肌肉充气压力越大，能够产生的收缩力也越大，因此，气动肌肉的充气压力相当于生物肌肉的神经刺激。

由于气动形式较之其它传动形式具有以下独特的优点：

(1)空气作为工作介质，取之不尽，来源方便，用过以后直接排人大气，不会污染环境，且可少设置或不必设置回气管道。

(2)工作环境适应性好。无论在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统工作安全可靠。

(3)空气粘度小，只有油的万分之一，流动阻力小，管路损失仅为油路损失的千分之一，便于介质集中供应和远距离输送。

(4)气动控制动作迅速，反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。在一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。

(5)气动元件结构简单，易于加工制造，使用寿命长，可靠性高，适于标准化、系列化、通用化。

(6)维护简单，管道不易堵塞，不存在介质变质、补充和更换等问题。

由于考虑的是在现有装备条件下布置装置，考虑的是增量的载荷，需要的变化的载荷较小，由于气压传动技术不但具有的低成本、清洁安全、安装简便等优点，而且高功率/质量比和高功率/体积比是气动肌肉相比较与传统驱动器最明显的优点，并且它具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，因此采用气动肌肉作为驱动器比传统驱动器更具有优势。

丁春全等在《武装直升机抗坠毁救生技术》中引用了美军标，指出乘员和椅盆冲程位移的启动载荷14.5g，静载设计参数考虑了座椅和人的动态反应，而此时在座椅盆底下所测得的负加速度不大于23g。根据汪洋在《抗坠毁座椅吸能装置的性能参数选择方法研究》中指出的吸能装置的性能曲线可以看出，吸能器提供给乘员的载荷是恒定的。这个定值文献中给出了范例15.5g，具体的定值应该考虑国内直升机乘员的体重情况，座椅重量，可靠性及座椅行程等因素来综合确定。当然，由于吸能器是被动式的，其性能的改变只需改变其中的参数，且其性能所提供给乘员的载荷变化范围较大。《武装直升机抗坠毁救生技术》和《抗坠毁座椅吸能装置的性能参数选择方法研究》给出的载荷均可接受。

李永亮在《直升机抗坠毁座椅吸能装置的设计方法》中给出5，50和95百分位乘员的计算有效总重量分别是64.5kg，74.9kg和93.1kg。

《飞机设计手册—直升机设计》中指出飞行员体重一般在50-100kg之间变化。本发明考虑全体乘员，以乘员有效最小重量是50kg，最大重量100kg为例进行计算。承受的标准需用过载是14.5g。

(a)所述吸能器为定载吸能器时。

定载吸能器只考虑了50百分位重量的乘员，即吸能器设计时乘员有效重量为74.9kg时，承受的许用过载是14.5g。吸能器的启动载荷要不大于设计时乘员承受的载荷，即

F_p≤m·G_p(1)

(1)式中F_p表示为启动载荷，m表示为乘员的有效质量，G_p表示为乘员承受的载荷。G_p除以重力加速度即为乘员承受的过载。

将50百分位重量的乘员的数据代入(1)式得启动载荷不大于10643.3N。由于吸能器是被动式的，在设计完成之后性能保持不变，当95百分位重量的乘员乘坐直升机时，代入相应数据到(1)式得承受的过载为11.7g，小于许用过载14.5g，加速度越小对提高乘员的生存性越有利，则定载吸能器对95百分位重量的乘员是可接受的。但是，当5百分位重量的乘员乘坐直升机时，代入相应数据到(1)式得承受的过载为16.8g，大于许用过载14.5g，加速度越大对提高乘员的生存性越不利，则定载吸能器对5百分位重量的乘员是不理想的。

同理，本发明需要考虑全体乘员，以乘员有效最小重量是60kg为例，代入相应数据到(1)式得承受的过载为18.1g。则气动肌肉需要减小的载荷为

F_s≥m·(G_p-G_b)(2)

式中F_s表示为气动肌肉需要减小的载荷，G_b表示为乘员承受许用的载荷。G_b除以重力加速度即为乘员承受的许用过载14.5g。

未安装本发明前乘员承受的载荷是18.1g。安装本发明需要将乘员承受的过载降至14.5g。本发明工作给座椅3.6g。则地板承受18.1+3.6＝21.7g。气动肌肉产生的力由地板和其下部构件进行传递。

路录祥等人在编著的《直升机结构与设计》中指出，地板下部构件的基本形式是由纵向梁和横向隔框(或隔板)交叉组成多个“井”字。这点与无坠毁要求的地板下部构件基本相同，但在承载能力和地板高度要求上有所不同。垂直方向承载能力的要求是在机身前部25％全机长度范围内地板下部构件应能保证在平均24m2g(m2是全机垂直坠毁时的缩减质量)的载荷作用下不塌陷。

在文中计算的质量采用的是乘员和座椅之和，全机垂直坠毁时还有机载设备的质量，则文中计算的质量小于全机垂直坠毁时的缩减质量m₂。过载值上地板承受18.1+3.6＝21.7g，小于设计标准的24g。即采用本发明后地板不塌陷。气动肌肉产生的力由地板和其下部构件进行传递。

则乘员有效最小重量是60kg时，气动肌肉至少需要减小的载荷为2116.8N，本发明主要的减载部件为气动肌肉，若安装了两个气动肌肉，每个气动肌肉至少需要减小的载荷为1058.4N。

(b)所述吸能器为变载吸能器时。

变载吸能器考虑了5-95百分位重量的乘员，即考虑了吸能器设计时乘员有效重量为64.5kg时，承受的许用过载是14.5g。吸能器的启动载荷要不大于设计时乘员承受的载荷，代入(1)式中得启动载荷不大于9165.5N。本发明需要考虑全体乘员，以乘员有效最小重量是60kg为例，代入相应数据到(1)式得承受的过载为15.6g。代入相应数据到(2)式则气动肌肉需要减小的载荷为646.8N，本发明主要的减载部件为气动肌肉，安装了两个气动肌肉，每个气动肌肉至少需要减小的载荷为323.4N。

如果选用已有的气动肌肉产品作为部件，可以参考王雄耀在《介绍一种气动新产品-仿生气动肌肉腱》中提出的产品进行选择。比如运用在装有定载吸能器的直升机上时，由于每个气动肌肉至少需要减小的载荷为1058.4N，可以选用MAS-20系列的气动肌肉，其拉伸力可以达到1200N。运用在装有变载吸能器的直升机上时，由于每个气动肌肉至少需要减小的载荷为323.4N，可以选用MAS-10系列的气动肌肉，其拉伸力可以达到400N。当然也可以根据相关公式进行计算，自行设计出适合相应载荷的气动肌肉进行装备。

本发明的原理：直升机在坠毁过程中，起落架和机体吸能结构首先吸收直升机坠毁时产生的绝大部分动能，但是机体结构残余的动能足以危及乘员的生命安全，此时安装在抗坠毁座椅上的吸能器，通过塑性变形吸收能量，限制乘员所承受的过载不超过人体耐受极限。当坠地时，乘员主要承受航向和垂向的载荷，由于乘员承受航向(由胸前到后背的方向)载荷的能力比较强，只考虑垂向(由脚到头的方向)载荷对乘员的影响。当乘员承受的载荷小于吸能器的启动载荷时，吸能器不工作，乘员与机体没有相对位移。当乘员承受的载荷大于或等于吸能器的启动载荷时，吸能器开始工作，乘员与机体产生相对位移。吸能器是被动式的吸能装置，安装到座椅后性能是不变的。因此提高乘员生存性的效果只取决于乘员的重量。当椅盆底部的加速度传感器测出的加速度值超出规定值时本发明启动。以下两种情况下使用时，本发明会启动：1、定载吸能器只考虑了50百分位重量的乘员，重量小于50百分位重量的乘员会承受比规定值大的过载。当重量小于50百分位重量的乘员乘坐时时，控制器控制气源驱动气动肌肉工作，减少乘员的过载。2、同理，变载吸能器只为无装备的5百分位到全副武装的95百分位男性乘员提供保护。重量小于5百分位重量的乘员会承受比规定值大的过载。当重量小于5百分位重量的乘员乘坐时，控制器控制气源驱动气动肌肉工作，减少乘员的过载。

气动肌肉也是被动式装置，安装到座椅后性能是不变的。如果将座椅的加速度降低到规定值以下仍然可以接受，原因有两点：1、乘员承受的加速度越小越好，即加速度越小乘员越安全。2、目前普遍装备直升机的吸能器是翻卷管式吸能器，该翻卷管式吸能器为变载吸能器，该吸能器是在两个方向载荷作用的情况下均能通过塑性变形吸收能量，则本发明未影响原有吸能器的吸能效果。

当座椅超过许用过载值后，加速度传感器将信号传至控制器，控制器驱动气源控制气动肌肉工作，施加给座椅一个向下的作用力，降低了乘员感受到的过载。如果施加的向下的作用力较大，使得乘员感受到的过载低于了许用过载仍可接受，一是因为吸能器的特点是依靠塑性变形来吸收能量，正反方向施加的力都能使其进行塑性变形，吸能能力保持不变。二是因为低于许用过载的载荷对乘员的伤害更小，提高了乘员的生存能力。

综上所述，本发明在对现有直升机机载装置不大改动的情况下有效调节乘员的过载，一定程度上保障乘员的安全。并且本发明考虑了已有设计中未考虑的重量在5百分位以下分位数的乘员的生存性问题，一定程度上提高了全体乘员的生存性。

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (8)

1.一种直升机抗坠毁座椅的减力装置，用于减少乘员所受载荷，包括座椅，所述座椅包括椅盆（1），座椅侧壁（2），靠背（3），头靠（4）和吸能器（5），所述座椅侧壁（2）设置在椅盆（1）两侧，所述靠背（3）底部设置于椅盆（1）的另两侧边的任一边上，所述头靠（4）设置于靠背（3）顶部，所述吸能器（5）设置于所述靠背（3）上，其特征还包括: 加速度传感器（6）、控制器（7）、气源（8）、以及一个以上的气动肌肉；所述加速度传感器用于采集椅盆底部的垂向方向的加速度信息并将该加速度信息传送给控制器；所述控制器7）用于根据加速度传感器（6）的传输信息控制气源（8）驱动气动肌肉（9）工作，减少乘员的过载；所述气源（8）用于接受控制器（7）的控制来驱动气动肌肉（9）工作。

2.根据权利要求1所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述气动肌肉为两个。

3.根据权利要求2所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述吸能器（5）为变载吸能器或定载吸能器。

4.根据权利要求2所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述吸能器（5）为定载吸能器，所述气动肌肉至少需要减小的载荷为1058.4N。

5.根据权利要求2所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述吸能器（5）为变载吸能器，所述气动肌肉至少需要减小的载荷为323.4N。

6.根据权利要求4所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述气动肌肉均为MAS-20系列的气动肌肉。

7.根据权利要求5所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述气动肌肉均为MAS-10系列的气动肌肉。

8.根据权利要求6或7所述用于直升机抗坠毁座椅的减力装置，其特征在于：所述座椅侧壁（2）为向外延伸的喇叭口形状。

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