飞行员头盔夜视镜系统气流吹袭性能研究

赵彦鹏，吴明磊，*，刘何庆，洪涛，李军，张友刚

（1.空军特色医学中心，北京 100142；2.中航工业航宇救生装备有限公司，襄阳 441003）

战斗机飞行员弹射座椅救生系统，为飞行员逃生提供了安全有效的技术保障。这种敞开式弹射救生系统，在离机出舱的瞬间，人体会受到高速气流的吹袭而发生损伤。而飞行员头盔、供氧面罩等个体防护装备，为人体免受高速气流吹袭起到了重要的防护作用［1-2］。夜视镜增强了人的夜间视觉能力，将夜视镜安装在飞行员头盔上，提高了飞行员夜间飞行时的观察能力，已推广应用到高性能战斗机［3-7］。

飞行员头盔因功能和防护性能要求的差异，轻型头盔质量约1 000 g，较重头盔达到1 700 g。安装在头盔上的夜视镜，因管径尺寸、结构和性能的差异，重约340～500 g，长约100 mm，安装支架和电源装置重约110 g。因此安装了夜视镜的头盔，质量特性和外形发生了显著改变，其对飞行员弹射救生的安全性影响需要高度重视［8-10］。

为了避免夜视镜对弹射安全产生不利影响，弹射前应将其从头盔上摘下。目前，有手动摘下和自动抛放2种方式。手动方式要求飞行员熟练掌握夜视镜安装使用方法，能在弹射离机前快速将其摘下。自动方式是在头盔上安装动力抛放装置，与弹射装置联动，一旦弹射装置启动，立即抛放夜视镜。手动摘下方式，增加了飞行员弹射离机动作时间，可能导致损失有利的弹射时机。自动抛放方式，结构复杂，进一步增加了头盔的质量，也可能影响佩戴的舒适性。

美国空军使用夜视镜，采用手动摘下的方式，其飞行手册规定，飞行员在弹射前要摘下夜视镜，防止其被弹射冲击力从头盔的安装座上抛下并造成损伤，也曾针对自动释放机构性能进行过研究，探究是否存在戴夜视镜弹射的可能性［9-10］，但未对佩戴夜视镜弹射进行风险评估［11-12］。

事故调查分析认为，低空、高速、不利姿态弹射的成功率较低，再加上头盔上安装夜视镜，飞行员在弹射中颈部损伤风险将显著增加［11-12］。2013年，美国空军一名F-16战斗机飞行员在执行夜间飞行训练时，出现空间定向障碍无法改出而被迫选择弹射跳伞，气流吹袭和稳定伞展开产生了大约40 G过载，使安装了夜视镜的头盔瞬间脱落，飞行员因头颈部遭受严重损伤而死亡［13-14］。

针对手动摘下方式，危急时刻飞行员能否在弹射前快速摘下夜视镜，取决于飞机的危险程度、飞行员的情景感知和有效处置时间。如果飞行员未能摘下夜视镜，戴夜视镜弹射是否安全及什么条件下安全，是产品研制和使用单位十分关心的问题。弹射过程时间短、运动剧烈，飞行员受到多种外力的作用，而弹射的初始阶段是头盔夜视镜系统最有可能影响飞行员安全的时刻，此时飞行员主要受到弹射冲击及高速气流吹袭作用，损伤风险较大［11，15］。本文针对弹射离机出舱瞬间气流吹袭这一主要外力作用，开展头盔夜视镜系统气动特性及其对人的安全性研究，为飞行员头盔夜视镜系统的设计和使用提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验件

某型飞行保护头盔2件，配套供氧面罩1件，规格满足试验假人（HYBRID II型第50百分位假人）佩戴适体。夜视镜6件（编号1＃～6＃），为双管双目微光夜视镜模拟件。模拟件与成品夜视镜结构一致，轮廓尺寸与成品误差为±3 mm，质量误差为±5 g。头盔带有夜视镜电源模块和安装支架。

陪试产品包括某型弹射座椅、抗荷服和HYBRID II型第50百分位假人。

1.2 试验设备

1）GCT-1型高速气流吹袭台。吹袭速度为300～1 650 km/h，最大速度下最长吹袭时间为10 s，速压控制准确度2%以内，速压波动度小于1.5%。

2）力和力矩测量系统。由安装在HYBRID II型假人颈椎下端的三轴向力和力矩传感器（美国第一技术公司，IF-210）、机载数据采集系统（Hi-Techniques公司，Echelon）和计算机组成，测量和采集假人颈椎下端的力和力矩。

3）高速摄像机（日本NAC公司，MEMRECAM HX-3E）。摄像速度为500～3 000帧/s，满分辨率2 560×1 920像素，拍摄记录整个吹袭过程和头盔夜视镜的佩戴状态。

1.3 试验设计

1.3.1 佩戴原则

为获取夜视镜与头盔共同作用下假人头颈部力学数据，气流吹袭试验应在夜视镜安装于头盔上状态下进行。试验时，将弹射座椅固定在高速气流吹袭台喷口前的台架上，将试验假人（穿抗荷服）端正放置在弹射座椅上，用背带系统系紧。保护头盔端正佩戴在假人头上，系紧下颌带；将供氧面罩插销牢固插到头盔插座上，波纹管连接在座椅上；将夜视镜瞳距、俯仰、上下调节到中位，牢固地安装在头盔安装板上。夜视镜分下位（工作）和上位（非工作）2个状态进行试验。夜视镜下位时，头盔护目镜放在上位，夜视镜上位时，头盔护目镜放在下位，如图1所示。

图1 夜视镜下位和上位示意图Fig.1 Schematic of lower state and upper state of night vision goggles

1.3.2 试验合格判据

试验目的是获得头盔配装夜视镜时的气流吹袭性能（对抗气流吹袭的能力），以作用在人体颈部的力和力矩是否造成颈椎损伤作为判定依据。头颈部受力坐标系定义如下：坐标原点o位于第七颈椎C7处，ox轴在人体矢状面内，水平向后为正；oy轴在人体冠状面内，水平向右为正；oz轴在人体矢状面内，垂直向上为正。气动阻力记为Fx，侧力记为Fy，升力记为Fz，对应各轴向的力矩分别记为Mx、My和Mz。

本文合格判据如下：高速气流吹袭条件下，颈椎升力小于1 416 N，阻力小于3 532 N，侧力小于376 N；作用在颈椎俯仰方向力矩（My）峰值小于190 N·m。合格判据的升力、阻力、侧力的指标来自文献［16］，且相关研究形成了国家军用标准GJB 6751—2009［17］。合格判据力矩指标来自文献［18-19］。

合格判据是依据人头颈部损伤耐限研究的相关标准和文献。国家军用标准 GJB 6751—2009［17］规定了作用在人体头颈部的升力、阻力、侧力等可耐受的限值。目前，针对高速气流吹袭作用在颈椎上力矩的生理耐限标准相关研究较少。本文关于力矩的合格判据选自文献［18-19］，其是关于动力学环境下佩戴头盔时人头颈生物力学的响应研究，与本文背景最为近似。在机动车碰撞损伤与防护的研究中，有关颈椎损伤的生物力学研究结果，因试验条件或方法的差异，得到的损伤耐限标准也不尽一致［20-22］。

另外，根据本文试验件的特点，即头盔、夜视镜、供氧面罩结构上的对称性，在迎面气流的作用下，施加于颈部的力矩主要是My，其他方向力矩相对较小。因此，只以My的峰值作为合格判据的指标，其他方向的力矩作为参考。

在以往飞行员头盔产品试验评价中，都是以国家军用标准GJB 6751—2009［17］作为考核依据。本文增加作用在颈椎上的力矩作为评价指标和合格判据，也是第一次尝试，目的是进一步限制气流吹袭可能对人体的伤害。

1.3.3 有效试验判定原则

若一次吹袭试验结束时，夜视镜与头盔连接完好，仍处于佩戴状态，称为有效试验，记录的颈部受力数据有效；若试验时，夜视镜从头盔上吹脱，试验有意义，但试验的有效性需比对力、力矩曲线的峰值时刻与夜视镜吹脱时刻出现的前后进行判定。力、力矩曲线峰值时刻出现在夜视镜吹脱时刻之前，颈部受力数据有效，该试验仍为有效试验。反之，颈部受力数据只作参考，此情形称为部分有效试验。

1.3.4 吹袭速度设置原则

本次头盔加装夜视镜的吹袭试验，吹袭速度从850 km/h开始，分以下2种情况：

1）如850 km/h为有效试验并满足合格判据，增加吹袭速度至1 000 km/h（增量150 km/h）。如1 000 km/h仍为有效试验并满足合格判据，增加吹袭速度至1 100 km/h（增量100 km/h）。1 100 km/h是目前所用头盔和供氧面罩防护性能的上限，上限吹袭速度到此为至。

2）如850 km/h为部分有效试验或不满足合格判据，降低吹袭速度至700 km/h（减少150 km/h）。如700 km/h仍为部分有效试验或不满足合格判据，降低吹袭速度至600 km/h（减少100 km/h），反之继续按100 km/h递减。

除上述一般原则，还需根据现场试验情况视情调整吹袭速度，如夜视镜吹脱后，其后的试验，吹袭速度应减小。

1.4 试验方法

1.4.1 试验准备

弹射座椅模拟装机状态固定在高速气流吹袭台喷口前的台架上。按照佩戴原则，将座椅、假人、头盔、供氧面罩、夜视镜安装完毕。

检查高速气流吹袭台，处于良好工作状态；测试系统调试、设置试验参数。

布置高速摄像机视场位置，摄像速度设置为500帧/s，图像分辨率1 024像素×1 024像素。

高速摄像机、力和力矩测量系统统一用高速气流吹袭台设定的时间基准同步测量，完成测试系统联试，准备工作完成。

1.4.2 试验步骤

高速气流吹袭台上电、自检；启动吹袭台，气流稳定时给出时间零点（定义为0 s）；第1发吹袭速度峰值设置为850 km/h。在0～2 s内吹袭台气流吹袭速度保持试验所要求的速度；气流稳定时，峰值作用时间150～200 ms。

吹袭台完全停止工作后，记录、保存测量数据；实验人员进入现场，检查试验件状态。

1.4.3 调整吹袭速度

根据第1发试验情况，按照试验合格准则和吹袭速度设置原则，进行第2发试验。若试验件损坏，更换新的试验件。依次完成全部试验。

2 结果分析

2.1 基本试验结果

6件夜视镜模拟件，共完成10发吹袭试验。夜视镜上位4发，下位6发。10发试验，吹袭速度均未超过850 km/h，头盔面罩均保持完好，而夜视镜吹脱5发（上位4发，下位1发），夜视镜完好并保持固定在头盔上5发。夜视镜保持固定在头盔上的5发，头盔前缘相对试验假人眼睛均有不同程度上仰移动。作用在试验假人颈椎上的升力均小于1 416 N，阻力均小于3 532 N，侧力均小于376 N；作用在试验假人颈椎上的俯仰力矩小于190 N·m的有6发，大于190 N·m的有4发（1发夜视镜吹脱，3发夜视镜保持）。基本试验结果如表1所示。表中：U代表上位状态，L代表下位状态；吹袭速度为试验设置峰值。试验件状态含义为：A表示头盔面罩完好，B表示夜视镜保持，C表示夜视镜吹脱，D表示头盔上移。

表1 基本试验结果Table 1 Essential test results

2.2 夜视镜吹脱时刻与试验有效性判定

对夜视镜吹脱的5发试验有效性判定，需对比力、力矩曲线的峰值时刻与夜视镜吹脱时刻。因高速摄像机、力和力矩测量系统用高速气流吹袭台设定的时间基准同步测量，试验时设置了信号跳变时刻，作为同时计时的时间点。

设跳变时刻为T，高速摄像机采集到夜视镜脱落时刻为t1，传感器采集到力或力矩峰值时刻为tmax，比较T+t1与tmax大小即可。

以第1发试验为例，跳变时刻为162.166 s，高速摄像机显示夜视镜脱落发生于第533帧图像，由于高速摄像机采用的频率为500帧/s，即每帧图片的记录时间为2 ms，可计算1发试验中夜视镜吹脱时刻为163.232 s；对颈椎传感器采集到的数据处理可知，该时间点之前三轴向的力和力矩均已达到峰值。因此，在第1发试验中，夜视镜被吹脱时，头颈部受力情况已达到峰值并开始减小，得到的力和力矩峰值可以作为该吹袭条件下实际受力峰值。第1发试验中力和力矩峰值时刻与夜视镜吹脱时刻的对比如图2、图3所示。

图2 第1发试验三轴向力曲线及吹脱时刻Fig.2 Triaxial force curves and blow-off moments of Test 1

图3 第1发试验三轴向力矩曲线及吹脱时刻Fig.3 Triaxial torque curves and blow-off moments of Test 1

用同样方法得到第2、5、7和9发试验中力和力矩峰值时刻与夜视镜吹脱时刻，结果如表2所示。

由表2可知，在夜视镜吹脱的5发试验中，均存在T+t1大于tmax的关系，据此判断夜视镜吹脱时颈部受到的力和力矩均已达到峰值，颈部受力数据有效。因此，全部10发试验均为有效试验。

表2 力和力矩的峰值时刻与夜视镜吹脱时刻Table 2 Moment of force and torque peak and blow-off of night vision goggles s

2.3 夜视镜吹脱轨迹

根据高速摄像机记录的夜视镜吹脱的轨迹，计算了吹脱后100 ms以内的轨迹数据，向上为垂直位移，顺风向为水平位移，如图4所示。

图4 夜视镜吹脱轨迹Fig.4 Blow-off trajectory of night vision goggles

3 讨论

3.1 头盔加装与不加装夜视镜的对比分析

飞行员头盔、夜视镜是各自具有独立功能的装备，组合形成了一种成本低、构造简单、灵巧高效的飞行员夜视装备，其作用意义是明确的。但头盔加装夜视镜后的气流吹袭性能研究，目前国内和国外研究报道均较少。

本次试验设计只进行头盔佩戴夜视镜的吹袭试验，未进行同一吹袭速度下不戴夜视镜的吹袭试验。但在此前（2016—2019年）的产品研制中，有4发头盔未加装夜视镜的吹袭试验（头盔护目镜下位），所用头盔、供氧面罩、试验假人规格型号及弹射座椅等试验条件均与本次试验相同，吹袭速度为1 100 km/h，仅记录气动升力和阻力作为考核标准。将此4发试验中所记录的气动升力和阻力的统计结果（平均值、标准差）与本次试验中所得到的数据（区分夜视镜上位和下位2个状态）进行对比，比较结果如图5所示。

图5 头盔加装夜视镜与未加装夜视镜气动升力与气动阻力对比Fig.5 Comparison of aerodynamic lift and drag between helmets with and without night vision goggles

本文所用头盔技术说明书中给出了“所用头盔与供氧面罩、弹射座椅等配套使用，保证在1 100 km/h以下速度弹射离机安全”的性能包线。因此，与吹袭速度1 100 km/h时头盔不戴夜视镜的试验结果进行比较，可以分析头盔加装夜视镜之后的气动升力和阻力的变化。

从图5可以看出，头盔加装夜视镜后，吹袭速度在700 km/h时，试验假人颈椎的升力和阻力值已接近或达到1 100 km/h时，未加装夜视镜时的数值。吹袭速度在800 km/h以上时，升力和阻力均达到或超过1 100 km/h吹袭时试验假人颈椎的升力和阻力。据此判断头盔加装夜视镜后，降低了弹射救生包线。即对比此前头盔未加装夜视镜进行的1 100 km/h吹袭试验，所测试验假人颈部升力峰值，与本次试验中700 km/h吹袭速度的峰值相当。由此可见，加装夜视镜后头盔夜视镜系统气流吹袭性能下降。由于之前未将作用在颈椎上力矩作为头盔吹袭性能评定标准，无有效数据可对比。

3.2 头盔夜视镜系统气流吹袭性能分析

夜视镜与头盔的连接，是通过连接装置上的机械接口实现的，可完成夜视镜的插、拔及旋转操作。夜视镜有2种佩戴状态：①处于眼前观察位置，称为下位或工作位；②向上翻转离开眼睛观察位置，称为上位或非工作位。本次10发吹袭试验，夜视镜处于上位4发，下位6发。上位4发均吹脱；下位1发吹脱，5发完好但头盔前缘相对假人眼睛均有不同程度上仰移动。

夜视镜上位时更容易飞脱，是因为此时夜视镜翻转上仰，镜身面对气流，迎风面积增大，自身受到较大的气动升力；而下位时，镜身顺向气流，迎风面积较小，受到气动升力也小。

无论夜视镜上位与下位，也无论吹脱与否，依据试验合格判据，综合表1的10发试验结果，尽管各次的升力、阻力、侧力都满足要求，但吹袭速度800 km/h、850 km/h时，3发试验俯仰力矩峰值均超出试验合格判据的要求，即大于190 N·m，认为对颈椎造成损伤，是不安全的。700 km/h为临界点，4发试验中，有1发俯仰力矩峰值超出试验合格判据（但超出量不大，仅有5.9%），其他3发未超出试验合格判据，认为对颈椎可能造成损伤，处于安全的临界状态。600 km/h的3发试验均满足试验合格判据的要求，认为是安全的。综合头盔加装与不加装夜视镜的对比分析结果，因此，建议将头盔夜视镜系统的气流吹袭性能包线限制在600 km/h以内，或根据具体机种的战术使用要求，适当进行放宽。

3.3 夜视镜吹脱

从本次试验结果看，夜视镜吹脱之前，颈部受到的力和力矩均已达到峰值。也就是说，夜视镜吹脱，并未影响到颈椎受到的作用力。但就整个弹射救生过程而言，对夜视镜吹脱的利弊还要作进一步的分析研究。

1）夜视镜吹脱有利于减轻头颈部的受力。弹射过程，从启动弹射座椅开始，经历出舱、射出座椅稳定伞和救生伞、人椅分离，到乘救生伞降落。在此期间，受到弹射过载、气流吹袭、开伞冲击等外力的作用。从原理上说，夜视镜吹脱，减轻了头盔质量，无论何种外力下颈部受力都将减小，进而降低损伤风险。

2）夜视镜吹脱对弹射过程是否造成影响。在弹射座椅救生系统中，救生伞装在座椅头靠内，也有将座椅稳定伞和救生伞都装在座椅头靠内。夜视镜吹脱，从座椅头靠上方飞过，是否影响开伞程序，需要进一步分析研究。可根据本文获得的夜视镜吹脱轨迹数据，结合弹射时座椅的运动轨迹和开伞程序进行分析，或开展专项研究，确定吹脱的夜视镜对弹射过程是否造成影响，以确保整个救生系统安全有效工作。

3.4 试验方法分析

开展弹射救生试验，主要有地面弹射试验（零高度、零速度）、火箭滑轨试验（零高度、速度可控）和高速气流吹袭试验（零高度、速度可控）［1-2，8，10，15-16］。本文针对高速气流吹袭对头盔夜视镜的影响开展研究，未考虑弹射过程。模拟弹射过程可能会影响到对夜视镜吹袭的观察分析，且试验难度和成本增加。头盔夜视镜系统在整个弹射过程中的安全性，应开展专项研究。

3.5 夜视镜的使用和需要开展的相关研究

关于夜视镜的使用，包括战术应用和使用操作2个方面。战术应用是指通过夜视镜的视觉增强能力在训练作战中的应用，如编队飞行中对其他飞机的观察协同、对地目标的观察识别等。使用操作是指对夜视镜的调校和摘除方式。夜视镜的调校是通过对夜视镜的眼距、瞳距、焦距、视度的调节获得最佳的视场和分辨力，摘除方式则是指应急情况下（如弹射离机）是手动摘除还是自动摘除。在非应急情况下，包括具有自动摘除功能的夜视镜，均使用手动摘除方式。应急情况下采用自动摘除方式，减少了飞行员的操作程序，争取宝贵的逃生时间，但自动抛放装置结构复杂，增加了头盔的质量。手动摘除方式，头盔与夜视镜之间的交联结构简单，增加质量较少，但手动摘除方式增加了飞行员的操作动作，可能延误逃生时机。这2种摘除方式各有利弊，都有产品应用。但目前比较倾向于手动摘除方式，主要原因是弹射离机等应急情况发生概率很小，而减轻头盔质量对增强头盔舒适性、减轻颈肌疲劳意义更大，尤其是长航时飞行更需要轻量舒适的头戴装备。为了尽可能争取逃生时间，克服手动摘除带来的时间延误，要求飞行员进行使用操作练习，熟练掌握夜视镜的安装使用方法［11-13，23］。

关于夜视镜的使用，除上述情况外，还有一种情况同时涉及战术应用和使用操作2个方面，夜间着陆，是戴夜视镜飞行着陆还是摘下夜视镜。非战争时期，机场跑道灯光为飞机着陆提供了条件。此时，飞行员不需要借助夜视镜着陆，为减轻着陆冲击带来头颈部载荷，飞行员应在着陆前摘下夜视镜。而战争时期，可能出现灯火管制的情况。此时，飞行员是否需要借助夜视镜着陆，目前还在研究实践中。可以肯定的是，若飞行员借助夜视镜着陆，则要求飞行员付出更多的训练，以掌握着陆的技巧和方法。

若飞行员借助夜视镜着陆，着陆冲击载荷与头戴装备的耦合作用，将会增加头颈部的受力［19，24］。着陆冲击的载荷特点、头盔夜视镜对头颈部受力的影响等，这方面的工作需要进一步开展研究，包括部队调研，听取飞行员的意见。

总之，本次开展的飞行员头盔夜视镜系统气流吹袭性能研究，理清了高速气流作用下头盔夜视镜的响应特性，获得了头盔夜视镜系统气流吹袭的性能包线及夜视镜吹脱的时机和轨迹，为弹射救生安全性研究提供了第一手资料，为飞行员头盔夜视镜系统的设计和使用提供了依据。

4 结束语

本文通过开展地面模拟高空飞行状态下高速气流吹袭试验，研究飞行员头盔夜视镜系统的气动特性，评价其对弹射救生安全性的影响。通过模拟600 km/h、700 km/h、800 km/h、850 km/h的吹袭速度，分析提取了夜视镜在不同工位状态下，获得了试验假人颈椎的受力曲线及夜视镜吹脱的时刻和轨迹，并依据相关的国家军用标准和理论研究，得到了如下结论：头盔加装夜视镜后，气流吹袭性能下降，吹袭速度800 km/h以上颈椎力矩超标，700 km/h为临界点，600 km/h合格。建议将头盔夜视镜系统的气流吹袭性能包线限制在600 km/h以内。

致谢 感谢中国电子科技集团公司第五十五研究所和云南北方光学电子集团有限公司给予本文的大力支持。