防雷座椅吸能指标分析

(中国航空救生研究所 湖北 襄阳 441003)

一、引言

坦克装甲车辆乘员执行时以乘坐姿态为主，因此座椅对其疲劳度和生存能力的影响很大。从近年来的局部战争和国际维和冲突来看，军用车辆面临地雷和简易爆炸装置的威胁与日俱增，乘员的防护需求也越来越高。装甲车辆受到爆炸波攻击时，很多伤亡事故不是由于装甲被击穿而造成的，而更多的是由爆炸冲击波造成的。由于很多传统座椅没有抗爆吸能设计，致使最终传递到乘员身上的冲击波能量会超出人体耐受极限的20～30倍，导致骨骼等身体结构受到严重挤压，极易形成脊椎骨折等伤亡事故[1]。因此座椅的抗爆轰冲击能力对于整车的防雷水平和乘员生存能力也尤为重要。

目前国内的防雷座椅的研究还处于起步阶段，尚未形成成熟完善的技术体系，也缺乏相应的标准规范，而防雷座椅的核心技术就是抗爆轰吸能，因此确定座椅的吸能指标是防雷座椅研究的重点之一。

二、国内外防雷座椅产品概况

目前国外对防雷座椅的重视程度日渐提升，已经有厂商开始了相关的研制工作，其中走到世界前列的有英国间科公司、德国Autoflug公司、以色列Mobius PS公司等。国内，航宇救生装备有限公司研制的防雷座椅和温岭富康汽车座椅公司也有些产品在进行装机试用，但未进行必要的性能验证。也就是说，国外对防雷座椅的研究走在前列，国内的防雷座椅研究尚处于起步阶段，未形成成熟的技术体系。

由于国外坦克装甲车辆直接参与了许多战争和冲突，大量的事故积累让他们更早的重视到车辆座椅的防地雷设计问题，美国、德国、以色列、英国和南非等国家走的比较先前，研制的防雷座椅已经成功装备M1系列主战坦克、豹2A6主战坦克、M2/M3布雷德利步兵战车、猛虎步兵战车等各种军用装甲车辆[2]。其中以色列的防雷座椅产品长期处于实战考验当中，对提升车内人员的生存率发挥了重要作用。

通过资料收集，对国外主流的防雷座椅产品技术参数进行汇总，详见表1。从表1可以看出，防雷座椅的输入指标基本可以统一为过载峰值和冲击脉宽两项。输出指标则分别采取了腰椎载荷，DRI以及骨盆等处的输出过载，未形成统一。

表1 国外主流防雷座椅技术参数

图1 美国BEA公司座椅的试验方法及合格判据

三、国内外防雷座椅相关标准

国外防雷座椅对于防雷吸能的要求大多以北约的NATO STANGA 4569(车辆防护等级)为主要标准，该标准以整个车辆为考核对象，其中地雷防护等级划分见表2。其中，a指可防护在车辆轮下起爆相应当量TNT的地雷，b指可防护车辆中央下部起爆相应当量TNT的地雷[3]。

表2 NATO STANGA 4569中地雷防护级别

为了评定车辆对应的防护等级，北约还出台了NATO AEP-55(车辆乘员防护等级评测程序)[4]和NATO RTO-TR-HFM-090(反车辆雷的装甲车乘员防护效果试验方法)，明确了整车的详细测试试验规程[5]。但由于NATO STANGA 4569是为整车而制定的标准，包括其配套的测试标准中，都没有给出针对座椅的输入指标，但对座椅输出指标，也就是乘员的伤害评定办法给出了相应的规定，详见表3。

表3 NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090对乘员的考核指标

其中AIS(Abbreviated Injury Scale)为简易伤害评价等级；DRI(Dynamical Response Index)为动态响应指数；HIC(head Injury criteria)为头部伤害标准。在NATO RTO-TR-HFM-090中，还详述了乘员的各项考核指标的具体来源，提到小腿和脊椎还可以通过平均加速度(见附1)和最大速度变化量进行安全判定，分别对应站姿和坐姿条件冲击乘员损伤阈值曲线，详见图2和图3。

图2 站姿条件冲击乘员的损伤阈值曲线图

图3 坐姿条件冲击乘员的损伤阈值曲线

另外，NATO RTO-TR-HFM-090中，还提到了通过腰椎载荷进行判定的方法与BEA公司产品采用的判定标准和其他冲击领域的人体要求限值一致。按NATO RTO-TR-HFM-090的指标来源描述，对图2和图3的判据进行整理并转换为公制单位，详见表4。

表4 NATO RTO-TR-HFM-090中探讨的其他指标

总装备部工程兵科研二所防雷防爆性能检测评估中心在地雷爆炸与防护方面的研究在国内比较领先，其编制的《车辆防雷防爆试验方法》中对乘员的伤害标准有详细的规定，详见表5[6]。

表5 《车辆防雷防爆试验方法》中乘员伤害标准的规定

这个标准中，大部分内容跟NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090的要求一致，其中听觉器官为新增内容，但该指标主要针对车体进行考核，座椅不予考虑；脚/踝关节和脊椎则增加了平均加速度的指标描述，在NATO AEP-55和NATO RTO-TR-HFM-090的汇总指标中没有，但与补充探讨的表4中指标要求一致。

另外，国内还有比较接近的GJB2689-96《水面舰艇冲击对人体作用安全限值》，规定了水面舰艇在受到爆炸攻击时的乘员损伤要求，也采用了平均加速度指标，详见图4。

图4 水面舰艇冲击中人体安全限值及其引起的冲击损伤阀值曲线

由于水面舰艇与人的接触位置主要是下肢，主要考核对象也是脚和小腿，并且从图4中可以发现，轻度和中度损伤区的分界线，与表4和表5中小腿和脚/踝关节的指标一致[7]。

四、防雷座椅输入指标分析

由于国内外相关技术标准中均没有防雷座椅的输入指标要求，现依据表1中国外防雷座椅产品的输入指标，整理筛选出相近的典型输入要求，详见表6。

表6 防雷座椅输入指标整理

另外从表1中国外防雷座椅产品的11项指标清单，仅有4项是通过实爆进行试验验证，更多的是采用坠落或坠撞试验，且表6中整理合并的两档典型输入指标都可通过坠落或坠撞实现。对比表6中整理合并的两个输入状态，虽然2000g@2ms看起来要比400g@4ms更严酷，但其输入/试验方法表明，400g@4ms相应的坠落速度7.9m/s却大于2000g@2ms对应的6.8m/s更大，因此不能表明哪一档对应的防护等级更高，因此建议按照试验条件选择其中一档执行，详见表7。

表7 防雷座椅输入指标建议

五、防雷座椅输出指标分析

国内外相关的技术标准中，提到的乘员输出指标种类较多，而实际的防雷座椅产品大多都仅选择了脊/腰椎相关的指标进行考核，详见表8。究其原因，一是脊椎指标相对来说对人体生存更为核心，严酷程度更高，二是脊/腰椎指标在坠落/坠撞和爆炸等方法的试验当中更容易测试与处理，因此防雷座椅应将脊椎列为首要的强制考核对象，其他指标则参考实际测试试验情况选择参考执行。

从表8可以看出，腰椎载荷有一定参考价值，但可以不作为考核指标；DRI和平均加速度的指标国内外标准均有提及，具有一定的替代性，应当选择一个作为考核指标；输出过载指标仅能直观的表征吸能性能，没有可依据的考核标准，无法作为考核指标。按上述分析，再结合其他指标情况，制定防雷座椅对乘员的建议考核输出指标，详见表9。

表8 国外防雷座椅输出指标分析

表9 防雷座椅对乘员的建议输出指标

脊椎平均加速度平均加速度<15g 或者最大速度变化<4.5m/s可能AIS3参考执行DRI≤17.710%AIS2+参考执行颈部轴向压力4kN/0ms,1.1KN/30ms可能AIS2+参考执行内部器官胸壁速率3.6 m/s(不含听觉系统)无伤害参考执行

六、总结

本文整理了国外主流防雷座椅产品的主要技术指标和部分座椅的试验验证情况，并结合国内外防雷座椅的相关标准和技术文献，对防雷座椅吸能要求的输入指标和输出技术指标进行了系统的筛选、对比与分析，并结合座椅防雷测试试验条件，系统的提出了防雷座椅吸能要求相关的输入和输出建议指标，详见表7和表9。这套指标的确定对国内防雷座椅的研制规范化有积极意义，并对未来防雷座椅技术标准的制定具有参考价值。