Методика определения безопасности воздействия перегрузок голова-таз при катапультировании на больших скоростях полета

На правах рукописи

Шибанов Виктор Юрьевич

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЕРЕГРУЗОК «ГОЛОВА-ТАЗ» ПРИ КАТАПУЛЬТИРОВАНИИ НА БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА

05.26.02. – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

(авиационная и ракетно-космическая техника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2011

Работа выполнена в ОАО «НПП «Звезда» имени академика Г.И. Северина» и в ФГУ «Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Минобороны России»

Научный руководитель:

кандидат технических наук

Лившиц Александр Наумович

Научный консультант:

доктор медицинских наук, профессор

Моисеев Юрий Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кукушкин Юрий Александрович

доктор технических наук, профессор

Строгонова Любовь Борисовна

Ведущая организация:

Войсковая часть 15650

Защита состоится «30» ноября 2011 года в 10 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук «Государственный научный центр РФ – Институт медико-биологических проблем РАН» (ГНЦ РФ – ИМБП РАН) по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, дом 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН.

Автореферат разослан «26» октября 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук Назаров Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При возникновении неполадок или повреждения летательного аппарата (ЛА) и невозможности его штатной или аварийной посадки члены экипажа оказываются в условиях чрезвычайной ситуации. Основным способом спасения летчиков военных реактивных самолетов в этом случае является катапультирование с использованием катапультного кресла (КК). При этом одним из наиболее существенных факторов, влияющими на безопасность катапультирования, являются воздействие ударных перегрузок, а также непосредственное воздействие набегающего воздушного потока.

Вопросы, связанные с защитой от непосредственного действия набегающего потока на современных российских КК типа К-36 в известной степени решены (Г.И. Северин, А.С. Барер и др.), а основным травмирующим фактором оказывается перегрузка катапультирования, действующая в направлении «голова-таз» - ny (Г.П. Ступаков, В.С. Казейкин, Ю.Б. Моисеев), приводящая к компрессионным травмам нижних грудных и поясничных позвонков. Частота получения таких травм летчиками даже в случае применения современных КК может достигать 10…30% (Дж.В. Бринкли).

Благодаря исследованиям, проводившимся во второй половине XX века как у нас в стране, так и за рубежом достаточно хорошо изучен вопрос о характере компрессионных травм позвоночника, обусловленных действием этих перегрузок, а также вопрос о его прочности и несущей способности (Г.П. Ступаков, С.А. Гозулов, В.А. Корженьянц и др.). Были установлены основные факторы, влияющие на риск перелома позвоночника в результате действия ударных перегрузок, и получена количественная связь между физическими параметрами этих перегрузок и вероятностью травмирования, что позволило создать инструментарий для определения безопасности воздействия перегрузок катапультирования.

Все известные критерии безопасности воздействия перегрузки в направлении «голова – таз» были получены в условиях катапультирований на малых скоростях, исходя из того, что на тело летчика воздействует суммарная, передаваемая через кресло перегрузка, сжимающая его позвоночник. Между тем, в соответствии с современными требованиями, КК должно спасать летчика на всех режимах полета, в том числе при больших индикаторных скоростях (900…1300 км/час). При этом, как известно из многолетней практики применения КК, вследствие воздействия набегающего потока значения перегрузок в направлении «голова-таз» существенно возрастают, и это, по существующим критериями, должно приводить к значительному увеличению вероятности компрессионных травм позвоночника.

Проблема определения уровня допустимых воздействий при катапультировании становится особенно актуальной в связи с тем, что новые отечественные КК (типа К-36Д-3.5, К-36Л-3.5Я и К-36Д-5) создавались с учетом расширенных требований, приводящих к возрастанию уровней перегрузок, и прежде всего – перегрузок в направлении «голова-таз».

Так, уменьшение массы пилота и самого КК, а также увеличение угла установки кресла в кабине ЛА с целью улучшения условий штатной работы экипажа, приводит к увеличению значений перегрузок, действующих вдоль позвоночника человека при катапультировании. Это, в свою очередь, приводит к ограничению скоростного диапазона применения самолета или к отказу от установки кресла под углами, обеспечивающими благоприятную штатную работу летчика.

Увеличение максимально допустимых скоростей и чисел Маха, на которых должно быть обеспечено безопасное катапультирование, также приводит к существенному увеличению уровней перегрузок, действующих на летчика по всем направлениям. Для их снижения необходимо применение различных, технически сложных, дорогих и громоздких схем и устройств, неблагоприятно влияющих на технические и эксплуатационные характеристики КК и ЛА.

В связи с отмеченными конструктивными особенностями перспективных КК и расширенными условиями их применения возникает насущная необходимость разработки методики определения безопасности воздействия перегрузок «голова-таз» в условиях реальных катапультирований, то есть тех их пороговых значений, которые не приводят к получению летчиком травм позвоночника и обеспечивают безопасность летчиков в чрезвычайных ситуациях катапультирования.

Цель работы - разработка на основании полученных экспериментальных данных и проведенного математического моделирования методики оценки безопасности воздействия на тело летчика перегрузок в направлении «голова-таз», возникающих при катапультировании на больших скоростях полета самолета, и ее апробация применительно к случаям реальных катапультирований.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести сравнительную оценку травматизма позвоночника летчиков, катапультировавшихся из самолета на различных скоростях полета.
2. Выявить расчетным путем особенности воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях полета (свыше 900 км/час).
3. Экспериментально определить величину эффекта уменьшения сжимающего усилия в позвоночнике, возникающего под воздействием набегающего скоростного напора.
4. Экспериментально сравнить реакции антропоморфного манекена и тела человека на динамическое растягивающее усилие, аналогичное действию аэродинамических сил на верхнюю часть тела летчика после попадания его в воздушный поток.
5. Создать методику оценки безопасности воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании в диапазоне индикаторных скоростей 0…1300 км/час, учитывающую биомеханическую реакцию тела человека на действие аэродинамических сил.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

• впервые теоретически доказан и экспериментально подтвержден биомеханический эффект разгрузки позвоночника сидящего в катапультном кресле летчика под действием аэродинамических сил, возникающих при катапультировании на больших скоростях;
• разработана методика количественной оценки безопасных уровней воздействия перегрузки катапультирования, отличающаяся от существующих методик учетом влияния аэродинамических сил, которые действуют на тело сидящего в кресле летчика при покидании самолета на больших скоростях полета.

Практическая значимость полученных результатов состоит в разработке методического аппарата для определения безопасных уровней воздействия на летчика перегрузки «голова-таз» в случае катапультирования из самолета с учетом реальных условий полета на больших скоростях при различных углах установки КК в кабине. В результате снимаются ограничения по применению КК и эксплуатации самих ЛА на больших скоростях полета, связанные с повышенными уровнями действующих при этом перегрузок «голова-таз».

Основная часть исследований, легших в основу настоящей диссертационной работы, была проведена в рамках Этапа 5.6 Договора между ОАО «НПП «Звезда» и «ОКБ Сухого» от 26.12.2004 г.: «Разработка КК пятого поколения К-36Д-5 для объекта Т-50».

На защиту выносятся:

Достоверность результатов исследования подтверждается четким формулированием базовых концепций исследования, строгим отбором гипотез и обоснованным применением используемых математических методов, совпадением расчетных значений с результатами, полученными в условиях стендовых исследований, внедрением основных результатов работы, а также статистическими исследованиями реального применения катапультных кресел при катапультировании на больших скоростях полета.

Результаты работы реализованы:

• в «Акте по результатам Государственных испытаний КК К-36Д-3.5 в составе КСАП объекта 10В», утвержденном в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2006 г.);
• в «Заключении о возможности установки КК К-36Д-5 в кабине объекта Т-50 под углом 22°», утвержденном ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2008 г.);
• в межведомственной «Методике оценки травмоопасности перегрузок КУ на больших скоростях», утвержденной ВВС МО РФ, ГНИИИ ВМ МО РФ, в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2009 г.);
• в «Отчете по результатам Предварительных испытаний катапультного кресла К-36Д-5», утвержденном в/ч 22737, ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «ОКБ Сухого» (2010 г.).

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации нашли свое отражение в 6 печатных трудах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК, одном патенте, а также в 12 отчетах по научно-исследовательским и испытательным работам.

Основные положения и научные результаты диссертационной работы обсуждались на конкурсах молодых специалистов ОАО «НПП «Звезда» (Москва 2007, 2009), на XXXIX научно-практической конференции ГосНИИИ ВМ Минобороны России (Москва 2010), на 9-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2010» в МАИ (Москва 2010), на заседании секции научно-методического совета ГосНИИИ ВМ Минобороны России (Москва 2010), на заседании научно-технического совета ОАО «НПП «Звезда».

Методы исследования. В процессе выполнения настоящей работы проводились экспериментальные исследования с использованием антропоморфных манекенов и добровольцев-испытателей. Краткая характеристика исследований, применявшиеся методики, измерительные средства и количество выполненных экспериментов приведены в таблице 1.

Полученные в ходе проведенных исследований данные обрабатывались в соответствии с методами математической статистики с использованием соответствующих стандартных функций и процедур, имеющихся в компьютерных программах Excel и MathCad.

Теоретический анализ поставленных задач проводился путем конечно-разностного моделирования процесса катапультирования и расчетного анализа нагрузок, возникающих в ходе катапультирования, с использованием программы «САС-36» разработки НПП «Звезда» и дополнительных расчетных модулей, созданных в среде MathCad с использованием уравнений теоретической механики.

Таблица 1. Характеристика проведенных экспериментальных исследований

Исследование	Методика	Аппаратура	Кол-во
Изучение исходов катапультирований	Анализ отчетов и актов расследования авиационных происшествий	-	762
Изучение воздействия аэродинамического потока на антропоморфный манекен в условиях наземного аэродинамического стенда (АДС)	Проведение полунатурных экспериментов с последующим анализом записей усилий в имитаторах позвоночника и шеи антропоморфных манекенов при различных значениях углов установки КК, типах снаряжения и величины скоростного напора	АДС ОАО «НПП «Звезда» КК К-36Д-3.5 Антропоморфный манекен Hybrid–III. Тензовесы ТВ№6С-474 и ТВ№3 в позвоночнике и шее манекена	19
Изучение нагрузки в позвоночнике антропоморфных манекенов при катапультировании	Анализ записей перегрузок и усилий в имитаторах позвоночника и шеи антропоморфных манекенов	Антропоморфные манекены ADAM Large, ADAM Small, LOIS Акселерометры на КК и манекене фирмы «Entran» типа EGA-125 Тензодатчики серии 1716 в позвоночнике и шее манекена	21
Сравнительное изучение биомеханических реакций антропоморфного манекена и человека на растягивающее усилие	Проведение экспериментов с тремя испытателями и антропоморфным манекеном по моделированию воздействия условий катапультирования и определением реакций между измерительным стендом и манекеном (испытателем)	Стенд для определения силы реакции между катапультным креслом и летчиком Антропоморфный манекен Hybrid–III 4 однокомпонентных тензовесов ТВ-«Тензо-М»	18