民机适坠性研究中的垂向坠撞速度问题探讨

白春玉 刘小川 惠旭龙 胡锐 张欣玥

摘要：垂向应急坠撞速度是评价民机抗坠撞水平的关键输入参数，如何确定飞机的垂直坠撞速度是型号耐撞性设计和验证的关键问题。本文梳理了国内外飞机结构坠撞试验的垂向坠撞速度选择情况，并从飞机的坠撞事故统计、乘员耐受极限与客舱完整性，以及应急坠撞典型工况分析等方面出发，对民机适坠性研究中的垂向坠撞速度确定方法进行了讨论。

关键词：航空安全；适坠性；应急坠撞试验；坠撞速度；乘员耐受性

中图分类号：TB122文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.002

安全一直都是各国民航运输中最为基本也是最重要的要求，但受到复杂气象环境、人为失误、机械故障等因素影响，飞机发生应急着陆事故仍时有发生。统计表明，民机在起飞着陆阶段的事故发生率占到总事故的70%左右，其中大部分为可生存的坠撞事故[1]。

机体结构的耐撞性是民机坠撞安全性的基础，影响民机坠撞安全的主要因素有：（1）坠撞发生时飞机的狀态，包括装载（货物、乘员、燃油）、飞机的坠撞姿态和坠撞速度（航向与垂向，其中垂向速度又称为下沉速度）等；（2）坠撞发生时的地面环境，如机场跑道、水面、其他地形等。其中，飞机应急坠撞的垂向速度和动能主要通过机体结构的变形和破坏吸收，此过程产生的严酷冲击环境对乘员安全有着直接的影响。

中国民航规章CCAR 25部中与坠撞相关的条款共有42条，分布在7个章节[2]。其中，25.561条“应急着陆条款”和25.562条“应急着陆动力要求”中，强调结构设计必须在应急着陆过程中对每一位乘员提供保护，给出了座椅设计的明确动力条件，但对飞机的撞击速度特别是垂向撞击速度并没有给出明确要求，而是要求确定一种既严酷又乘员可生存的条件。国外先后开展了数十次的运输类飞机机身段或整机坠撞试验[3-4]，国内也开展了系列的机身段坠撞试验[5-9]。对于大型运输类飞机的坠撞试验研究多采取了航向速度和垂向速度解耦的思路，且主要开展的是全尺寸等直机身段的垂直坠撞试验，作为垂直坠撞试验的关键控制参数，试验中的坠撞速度大多在10m/s左右。对于通勤类飞机和直升机的坠撞试验研究多采用垂向和纵向耦合的组合式试验思路，且主要开展的是全尺寸整机坠撞试验。

针对特定的飞机型号，如何确定垂直坠撞速度这一重要控制参数，是型号耐撞性设计和验证的关键问题，但国内外还没有开展系统性的研究工作。本文梳理了国内外相关研究中的民机结构垂向坠撞速度选择情况，并从坠撞事故统计、乘员耐受度极限与客舱完整性，以及应急坠撞典型工况分析等方面出发，对飞机坠撞研究中的坠撞速度确定方法进行了讨论。

1民机坠撞问题的分类

1.1民机坠撞事故的分类标准

为便于事故统计，根据坠撞中的机体破坏和乘员生存情况，民机坠撞事故主要分为以下三类[10]。

（1）轻微坠撞可生存事故

事故中没有人员死亡，飞机受控且起落架功能正常，硬着陆撞击地面，飞机的动能主要由起落架缓冲和刹车系统耗散，这种情况一般不会导致严重的后果，飞机机体一般未损坏或仅出现轻微损坏，座椅靠肩带、安全带等设备的约束可以对乘员提供足够的保护，也称为轻度坠损事故。

（2）严重坠撞可生存事故

事故中出现了人员死亡或重伤情况，但至少有一名人员生还，通常出现起落架无法正常放下等故障，以致飞机需要以“机腹擦地”的形式进行迫降，飞机的动能主要通过机体结构与道面的碰撞、摩擦等形式耗散，飞机将不同程度受损，这类事故也是民机抗坠撞设计针对的主要场景。

（3）严重坠撞不可生存事故

事故中没有乘员生还，飞机以较大的速度和较为极端的姿态坠落，坠撞过程的冲击过程传递至客舱的过载超出人员的承受极限或客舱生存空间遭到严重破坏，这种情况往往导致较为严重的灾难性后果，飞机机体出现严重损坏或全毁。

1.2民机坠撞事故严重程度与事故数量的关系

以上三类事故的共同特征是飞机的下沉速度超过了起落架系统和相关机体结构的正常设计要求，如起落架系统设计最大下沉速度为3.05m/s。对1997—2018年之间NTSB数据库中收录的运输类飞机坠撞事故分类后可以发现，在总计1141次事故中，轻微坠撞可生存事故、严重坠撞可生存事故和严重坠撞不可生存事故的数量分别为955起、109起和77起。事故严重程度和事故数量之间的关系如图1所示。

在这109起严重坠撞可生存事故中，共导致了19707人死亡，如果提高这类事故中飞机的抗坠撞能力，可以显著地降低事故伤亡率。

2坠撞速度选择情况分析

2.1国内外科研机构飞机坠撞试验研究情况

全尺寸坠撞试验是获得坠撞过程材料和结构失效模式、分析能量耗散过程等的必要试验，也是验证飞机抗坠撞设计的最直接手段，国内外相关研究机构和制造商开展了大量的全尺寸结构坠撞试验。

美国国家航空航天局（NASA）兰利研究中心（LaRC）先后开展了40余次的轻型固定翼飞机整机坠撞试验和59次的直升机整机坠撞试验、三次波音707飞机机身框段坠撞试验[11-13]。美国联邦航空局（FAA）进行了两次波音737飞机机身框段垂直坠撞试验。波音公司开展了787飞机的复材机身段坠撞试验。坠撞试验设施和试验现场情况如图2所示。

欧盟第四框架项目“商用飞机撞击生存能力设计”和第五合作框架项目“飞机高速撞击时的适坠性”对飞机适坠性进行了专门的研究，并针对A320飞机开展了7m/s的垂直坠撞试验[14]。

日本针对YS-11飞机频出的坠毁问题（交付182架，发生事故36次，26架飞机完全损毁，共造成254人死亡），开展了机身结构坠撞试验研究工作，进行了两次全尺寸机身框段垂直坠撞试验[15]。

中国飞机强度研究所2012年完成了国内首次的全尺寸机身结构垂直坠撞试验，如图3所示，近年来在复合材料机身坠撞试验、机体吸能结构坠撞试验方面也开展了多项试验研究工作。

2.2坠撞速度分析

表1梳理了国内外已开展的坠撞试验，包括试验飞机的类型、型号、试验时间、速度（垂向和纵向）和坠撞环境等。

从表1可知，国内外主要开展了通用飞机、直升机以及大型客机三类平台的坠撞试验研究工作，不同特征飞机的坠撞速度选择也有较大不同。对于轻型固定翼飞机和直升机，主要开展整机坠撞试验研究，多采用垂向和纵向耦合的组合式试验方案，其中直升机的最大垂向撞击速度为12.80m/s，最小垂向撞击速度为7.90m/s；通用飞机的最大垂向撞击速度为9.45m/s，最小垂向撞击速度为7.01m/s。这些速度的选择主要来源于MIL-STD-1290 （AV）给出的设计要求[16]。

对于大型客机的抗坠撞问题，由于试验成本的限制，主要开展了机身段垂直坠撞试验，最小垂向撞击速度6.1m/s，最大垂向撞击速度9.14m/s。这些速度的确定并没有直接的标准来源，但其确定方法大致可分为三类，首先是同类飞机的事故统计分析，其次是基于人体耐受度和客舱生存空间的考虑，如一般要求坠撞过程中客舱地板过载不大于20，最后是基于某种典型的严重着陆场景分析。最终确定的坠撞速度按照适航要求是一种既严重又可生存的条件，并综合衡量飞机安全性和经济性等因素。

3民机应急坠撞垂向坠撞速度确定方法

3.1基于坠撞事故统计的确定方法

美国陆军在20世纪60—70年代就针对轻型固定翼飞机和旋翼机的坠撞事故进行调查研究，共调查了563起旋翼机事故和92起固定翼机事故，排除不符合统计范畴的事故后筛选了373起事故样本。给出了可生存事件的累计概率分布曲线，如图4所示，提出了基于可生存事故坠撞累计频率的飞机抗坠撞设计要求，此方法基于坠机事故的调查统计分析，总体比较科学，为开展飞机的抗坠撞设计提供了一定指导，美军以95%可生存事故累计频率作为轻型固定翼飞机和旋翼机的设计要求条件。

但对于大型客机，影响坠撞安全的参量众多，每次事故发生的原因都很复杂，难以建立起统一的可生存事故坠撞累计频率统计样本曲线，同时，不同的适航审定部门对严重但可生存的坠撞条件理解也不同。一般来说，同一制造商可以根据其同类飞机的典型坠撞案例或试验数据给出下一代飞机的抗坠撞设计要求，以及由此确定其抗坠撞验证的条件，如FAA要求波音787飞机具有等同于波音777飞机的坠撞安全性。空客A340飞机的抗坠撞设计和评定就很大程度上借鉴了A330飞机和A320飞机的坠撞案例和试验数据，此种做法事实上也是一种基于事故统计分析的方法。

3.2基于乘员耐受极限与客舱完整性要求的确定方法

乘员保持自主撤离能力、客舱完整性得到保持（座椅和头顶行李架等可靠连接、通道通畅、应急门可以打开等）是坠撞后乘员安全的重要保障，因此，对于全新设计没有可供参考的对比飞机，可以根据人体耐受度和客舱完整性的要求，确定可生存坠撞速度。

坠撞过程中，结构传递给乘员的过载峰值、过载持续时间以及平均过载的大小均是影响人员损伤程度关键的因素。研究人体损伤的学者将冲击对人员的情况划分为三个区域，即损伤安全区域、严重但可接受区域和严重且不可接受区域[17]，如图5所示。在损伤安全区域，可能会造成人员的轻度受伤，如擦伤，一般不会造成严重的生理损伤，乘员具备自主撤离能力；在严重但可接受区域，可能会引起人员中等严重程度的外伤，或导致身体残疾等生理损伤，通过及时的治疗可保证生存，但会影响人员的自主撤离能力；在严重且不可接受区域，人员受到极其严酷的损伤，几乎不可能生存。

飞机的坠撞速度与乘员经受过载、客舱的变形等是正相关的，可基于乘员的冲击耐受度，以及结合飞机的结构特征，计算得到相对应的飞机严重但可接受的极限坠撞速度。以某飞机典型机身结构为例（第23～26框等直机身段，长度为1.71m），当坠撞速度分别为4.5m/s和13.5m/s时，此机身结构客舱地板的平均过载分别对应于16和40。可以看出，地板過载16时，再考虑座椅的减缓作用，人体不会受到明显伤害，同时客舱保持完整，这是一种不够严重的坠撞环境，如图6（a）所示；当地板过载40时，人体可能严重受伤，同时货舱立柱顶穿了地板且客舱整体变形明显，此情况下，座椅、舱门和头顶行李架均有较大的变形可能，存在客舱完整性影响乘员生存空间的较大风险，这是一种过于严重的坠撞环境，如图6（b）所示。对于该飞机，选择的坠撞速度应介于这两个速度之间。

3.3基于飞行典型严重着陆状态的确定方法

通过对民机应急坠撞事故统计发现，可生存应急坠撞事件一般发生在飞机的起飞着陆阶段，且飞机多在可控的条件下着陆，即坠地前飞行员仍可对飞机进行有效操纵。其中一种典型严重情况是前起落架不能放下（如起落架的机械卡阻、液压管道破裂等故障），需要飞行员选择飞机以主起落架（主起）两点着陆，然后前机身擦地着陆，这是一种非常典型的严重应急着陆状态，有大量的应急坠撞案例，如2018年5月21日，沙特阿拉伯航空公司的一架空客A330客机由于液压系统故障，前起落架无法放下而导致应急着陆。

本文以某型飞机为例[18]，模拟前起落架故障无法放下，主起落架两点着陆的严重状态，对前机身的撞地速度进行分析，如图7所示。飞机着陆重量（质量）为26500kg，考虑严重工况，假设飞机的垂向着陆速度为最大设计着陆下沉速度3.05m/s，尾沉角θ0= 7°，飞机纵向速度为50m/s，表2给出了其他计算参数（部分参数为根据飞机总体参数和工程经验的假设值）。表2中，I为机体绕重心转轴俯仰转动惯量、θ为飞机俯仰角、Fx为主起落架所受摩擦力、Fy为主起落架所受垂直载荷、FL为飞机所受升力、Ft为飞机所受推力、h1为主起轮胎距重心的高度、h2为推力距重心的高度、l1为主起落架垂直载荷距离重心水平距离、l2为升力距离重心水平距离。

飞机受力状态如图7所示，飞机尾沉姿态应急着陆过程中，由其自身重力、地面对起落架的支持力等作用下使飞机绕重心轴逆时针转动，可建立平衡方程如下：

4结束语

本文梳理了国内外已开展的轻型固定翼飞机、直升机以及大型客机等飞机的结构坠撞试验研究工作，数据表明，不同类型飞机的坠撞速度选择和试验方式均有较大不同，对于大型客机，主要开展了机身段垂直坠撞试验。对于轻型固定翼飞机和直升机，主要开展整机的垂向和纵向耦合坠撞试验。从坠撞事故统计、乘员耐受极限与客舱完整性，以及应急坠撞典型工况分析等方面出发，对民机适坠性研究中的垂向坠撞速度确定方法进行了讨论，主要结论如下：

（1）基于坠撞事故统计提出的坠撞累计频率的飞机抗坠撞设计方法，国外在轻型固定翼飞机和直升机的抗坠撞研究中进行了较好的应用，该方法总体比较科学。在缺少大型客机坠撞事故统计数据的情形下，可根据其同类飞机的坠撞数据提出下一代飞机的抗坠撞设计和坠撞试验速度的条件。

（2）基于乘员耐受极限与客舱完整性要求的确定方法，飞机的应急坠撞速度与冲击过程对乘员的过载响应正相关，可基于乘员的可生存冲击耐受极限，以及结合飞机的结构特征，计算得到飞机的上限和下限坠撞速度，飞机的实际可生存坠撞速度范围应介于这两个速度之间。

（3）提供了一种飞机前起落架无法放下，飞机可控应急着陆的前机身撞地垂向速度的简化计算方法，结果表明飞机前机身触地的垂向速度属于可生存应急坠撞范畴，可为飞机在可控状态下应急坠撞速度的确定提供参考。

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作者简介

白春玉（1984-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268610

E-mail：baichunyu2006@163.com

劉小川（1983-）男，博士，研究员。主要研究方向：结构动力学、结构冲击动力学。

Tel：029-88268805E-mail：liuxiaochuan@cae.ac.cn

惠旭龙（1989-）男，硕士，工程师。主要研究方向：材料/结构动态力学行为。

Tel：029-88268285E-mail：742849400@163.com

Discussion on the Problem of Vertical Crash Velocity in the Study of the Crashworthiness of Civil Aircraft

Bai Chunyu，Liu Xiaochuan*，Hui Xulong，Hui Rui，Zhang Xinyue

Aviation Key Laboratory of Technology and Science on Structure Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： Vertical emergency crash velocity is a key input parameter for evaluating the crash resistance of civil aircraft， and the determination of its value is the key to the aircraft design and verification of crashworthiness. This paper summarizes the domestic and foreign relevant research on the selection of the vertical crash velocity. Based on the analysis of crash accident statistics， occupant tolerance limits and cabin integrity， as well as the analysis of aircraft landing status and characteristics， the determination method of vertical crash velocity in the study of crashworthiness of civil aircraft is discussed.

Key Words： aviation safety； crashworthiness； emergency crash test； crash velocity； occupant tolerance limits