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

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и Приложения. Основной текст диссертации изложен на 155 страницах, включая список литературных источников, проиллюстрирован 27 рисунками, содержит 23 таблицы. Библиография содержит 107 наименований, из которых 18 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности работы, определению цели и задач исследования. В нем отражена научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту, и дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены известные способы оценки безопасности воздействия перегрузок катапультирования «голова-таз» на позвоночник летчика. В настоящее время для этого широко используются два основных подхода.

Согласно первому способу, изложенному в ряде отечественных нормативных документах, нормируется скорость нарастания перегрузки в направлении «голова – таз» , величина перегрузки ny и время ее действия . Аналогичный подход используется и в некоторых западных нормативных документах (MIL-S-18471).

Однако при таком задании предельных уровней воздействия ny трудно решать вопрос о безопасности воздействий при изменении во времени значения перегрузки или при временах ее действия, отличных от заданных.

Более удобным является второй подход, реализованный в США (MIL-S-9479) и в России (ОСТ В1 02778-2001), основанный на использовании одномассовой математической модели реакции тела человека на ударную перегрузку. Под влиянием динамического воздействия груз, соответствующий телу летчика, деформируя пружину с демпфером, перемещается на определенное расстояние, измеряемое в условных единицах динамической реакции – так называемого индекса динамической реакции (ИДР или DRI). При этом определена связь между значением ИДР и риском получения травмы позвоночника.

Оба этих подхода рассчитаны на применение в идеальных условиях – летчик, принявший правильную изготовочную позу, катапультируется из самолета, летящего на относительно небольшой скорости. Поэтому все действующие критерии безопасности перегрузки в направлении «голова – таз» получены 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, из-за 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.

Все действующие на сегодняшний день способы создавались исходя из того, что на тело пилота действует только одна сила, пропорциональная перегрузке, которая передается через кресло и сжимает его позвоночник. Однако на самом деле, характер нагружения тела летчика при реальном катапультировании имеет более сложный характер. Общая перегрузка, воздействующая на КК, складывается из нескольких составляющих, часть из которых воздействуют на пилота со стороны кресла, а часть – непосредственно на само тело летчика. Таким силовым фактором, действующим на тело пилота, является в первую очередь аэродинамическая сила, возникающая при покидании самолета на большой скорости и оказывающая воздействие после выхода КК из кабины в поток. Известно, что при катапультировании на больших скоростях полета на шею летчика действуют значительные растягивающие нагрузки. В принципе, через шейный отдел это растягивающее усилие может уменьшать компрессионные силы, сжимающие грудной и поясничный отделы, и тем самым снижать риск получения травмы. Таким образом, существующие методики оценки безопасности катапультирования в вертикальном направлении исключительно по величине общей перегрузки ny и максимальному значению DRI не являются универсальными и нуждаются в уточнении.

В связи с этим было проведены экспериментальные и расчетные исследования, направленные на определение влияния воздействия скоростного потока при катапультировании на возможную нагрузку на позвоночник, которые позволили бы скорректировать уровни предельно допустимых величин перегрузок «голова – таз» и методику вычисления DRI.

Во второй главе проведены статистические исследования исходов реальных катапультирований и полученных при этом травм летчиков. Проведенный анализ показал, что случаев травмирования позвоночников летчиков в случае покидания ЛА на индикаторных скоростях свыше 900 км/час, в отличие от катапультирования на небольших (до 900 км/час) скоростях, отмечено не было (табл. 2). Поэтому, несмотря на повышенный уровень перегрузок на этих режимах на участке свободного движения КК и воздействия набегающего потока, увеличения частоты переломов позвоночного столба летчиков в процессе катапультирования при этом не наблюдается.

Таблица 2. Частота травм позвоночника летного состава при катапультировании

Скорость аварийного покидания, км/ч	Все типы КК
	Общее кол-во	Летчики с травмами позвоночника
		Кол-во	Доля
до 900	736	49	6,6%
900 и более	46	0	0%
Итого	782	49	-

Из анализа имеющихся статистических данных по применению КК типа К-36 можно сделать вывод о том, что катапультирование на максимальных скоростях не приводило к повышенному травматизму позвоночника летчика.

Таким образом, результаты реальных катапультирований на креслах типа К-36 косвенно подтверждают предположение о наличии разгружающего эффекта набегающего потока воздуха, благодаря которому, при покидании на больших скоростях, несмотря на большие перегрузки, вероятность получения компрессионных травм позвоночника не увеличивается, а снижается.

В третьей главе представлены результаты аналитического исследования механизма воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях.

Для оценки величины усилий, возникающих в позвоночнике летчика в процессе катапультирования, и определения безопасности воздействия динамических условий катапультирования на больших скоростях полета при помощи конечно-разностных методов была исследована динамика катапультируемой системы и рассмотрено действие внешних сил на сидящего в КК летчика.

Расчет динамики пространственного движения системы «КК + летчик» показал, что при катапультировании на предельных режимах вертикальные перегрузки ny могут достигать 18…23 ед., а их максимальное значение продолжительностью 0,05…0,08 с приходится как раз на момент запуска РДТТ и начало свободного движения КК в потоке (пример расчетного значения перегрузки ny при индикаторной скорости 1300 км/час приведен рисунке 1, за ноль времени принят момент схода КК с направляющих и запуска РДТТ).

Рисунок 1 – Расчетные значения перегрузки катапультирования ny

Усилие сжатия позвоночника при катапультировании в значительной степени определяется контактными силами, возникающими между летчиком и креслом. Поэтому были проведены расчеты по определению величины этих сил в момент непосредственно после попадания КК в поток и включения РДТТ. Для этого использовались значения полученных ранее аэродинамических характеристик человека, сидящего в КК при различных углах атаки и скольжения катапультируемой системы.

Уравнение движения центра масс системы «катапультное кресло + летчик» в системе координат, связанной с КК в общей, векторной форме записи будет иметь следующий вид:

,

где М, V, –масса, линейная и угловая скорости системы «КК + летчик»;

- векторы аэродинамических сил, силы реакции со стороны РДТТ и силы тяжести, действующих на систему «КК + летчик»;

С другой стороны, уравнение движения пилота, сидящего в кресле, имеет следующий вид:

,

где m, V1, - масса и линейная скорость сидящего в КК летчика;

- векторы аэродинамических сил, сил реакции со стороны КК и силы тяжести, действующих на сидящего в КК летчика;

Откуда получается выражение для силы реакции:

Величина вертикальной проекции силы реакции между КК и сидящем в нем пилотом после схода кресла с направляющих будет определяться выражением:

Ry = Ry + Ryq,

где Ry = m(xyx – y(x2 + z2)) + mzx – составляющая, связанная с вращением летчика относительно центра масс системы «катапультное кресло + человек» с угловыми скоростями i и угловыми ускорениями i при проекциях расстояния между центром масс летчика и катапультируемой системы x и y;

Ryq = - CySЧq – составляющая, определяемая аэродинамическими характеристиками сидящего в КК летчика CySЧ и величиной скоростного напора q.

Рисунок 2 – Изменение вертикальной проекции контактной силы Ry между креслом и летчиком после отделения КК от ЛА (при угле установки кресла =17°)

Проведенные расчеты позволяют утверждать, что в связи с наличием приложенной к верхней части тела летчика аэродинамической силы вертикальная составляющая контактной силы между летчиком и сиденьем кресла R в момент отделения летчика от кресла и максимальных значений ny будет уменьшаться. Вместе с ней будет уменьшаться и возникающее в поясничном отделе позвоночника под действием суммарной перегрузки катапультирования сжимающее усилие в направлении «голова - таз». Причем это снижение будет примерно пропорционально внешней аэродинамической силе, действующей на катапультируемую систему (рис. 2, где знак «+» указывает на сжимающий характер силы, а знак «-» - на растягивающий). Затем сила реакции может кратковременно увеличиваться, однако этому увеличению соответствует существенное снижение действующей перегрузки ny (рис. 1).

Результаты проведенных расчетов показали, что одному и тому же значению вертикальной перегрузки, действующей на систему «летчик-кресло» и зарегистрированному датчиками, установленными на КК, могут соответствовать, в зависимости от режима катапультирования, различные значения вертикальной контактной силы, определяющей сжатие позвоночника. Это обусловлено тем, что величина контактной силы определяется помимо вертикальных перегрузок угловым движением системы при несовпадении центра масс системы «КК + кресло» и центра масс летчика, а также аэродинамическими характеристиками облаченного в летное снаряжения пилота, сидящего в КК.

В четвертой главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований особенностей воздействия на летчика перегрузки «голова - таз» при катапультировании на больших скоростях

При проведении численных оценок изменения контактной силы использовались аэродинамические характеристики летчика, сидящего в КК. Однако методически точно определить значения аэродинамических характеристик летчика весьма затруднительно, и полученные на основании исследований в аэродинамической трубе значения аэродинамических сил могут иметь достаточно большую погрешность. Кроме того, на основании интегральных аэродинамических характеристик летчика могут быть рассчитаны лишь аэродинамические силы, действующей на все тело целиком, тогда как на возможное изменение усилия в позвоночнике будет влиять в основном сила, воздействующая на верхнюю часть туловища пилота – на его голову, плечевой пояс и грудь. Именно эта сила будет создавать разгружающий эффект, снижающий сжимающие усилия, возникающие в позвоночнике летчика под действием перегрузок катапультирования в направлении «голова-таз».

Поэтому, для подтверждения наличия эффекта снижения усилий, возникающих в позвоночнике летчика под действием скоростного напора при катапультировании на больших скоростях, был проведен целый ряд экспериментальных исследований. Основными объектами этих исследований были антропоморфные манекены Hibryd-III, ADAM и LOIS. Эти манекены были в свое время созданы таким образом, что их антропометрические и динамические характеристики максимально соответствуют характеристикам реальных людей (пилотов).

Прежде всего, проведена серия экспериментов на аэродинамическом стенде (АДС) с использованием антропоморфного манекена, целью которых являлось подтверждение наличия вертикальной аэродинамической силы, воздействующей на верхнюю часть тела пилота, а также определение ее величины и зависимости этой силы от скоростного напора и угла атаки КК.

Рисунок 3 – Растягивающие усилия в поясничном и шейном отделах имитатора позвоночного столба антропоморфного манекена Hybrid-III по результатам испытаний на АДС при индикаторной скорости 1300 км/час

Результаты испытаний на аэродинамическом стенде свидетельствуют о том, что при покидании самолета на больших скоростях аэродинамическая сила, действующие на голову и верхнюю часть туловища летчика при выходе КК из кабины в поток, оказывает растягивающее действие на позвоночник (рис. 3, 4).

Рисунок 4 – Зависимость растягивающего усилия в поясничном и шейном отделах имитатора позвоночного столба антропоморфного манекена Hybrid-III от индикаторной скорости Vi при =17° по результатам испытаний на АДС

Следовательно, в условиях реального катапультирования эта сила будет способствовать снижению суммарного сжимающего усилия, возникающего в позвоночнике под действием перегрузок «голова – таз». Величина этой силы прямо зависит от скоростного потока и обратно - от угла, под которым кресло оказывается в потоке.

Далее были проанализированы результаты экспериментальных катапультирований антропоморфных манекенов с замерами перегрузок в направлении «голова - таз» и прямым измерениями усилий, возникающих в различных отделах имитатора позвоночного столба. Целью этого анализа было подтвердить наличие и установить величину эффекта уменьшения под воздействием набегающего потока сжимающих усилий в позвоночнике в условиях реальной динамики катапультирования.

Анализ результатов экспериментальных катапультирований кресел К-36ДМ и К-36Д-3.5 с антропоморфными манекенами также показал, что максимальные уровни перегрузки в направлении «голова – таз», зафиксированные на КК и в манекенах определяют реальные сжимающие силы, действующие на позвоночник, лишь на этапе связанного движения, а также на активном участке, но при небольших скоростных напорах. При больших скоростях воздействие условий катапультирования приводит к существенному снижению усилий сжатия позвоночника (рис. 5).

Рисунок 5 – Соотношения максимальных значений усилий и перегрузок в имитаторе поясничного столба антропоморфных манекенов в ходе катапультирований К-36Д-3.5 на различных скоростях (а – на связанном участке, б – на активном участке)

Таким образом, проведенные экспериментальные работы подтвердили наличие эффекта частичного разгружения позвоночника и определили величину аэродинамической силы, воздействующей на туловище антропоморфного манекена при катапультировании на больших скоростях, а также установили прямую связь между действующим на манекен скоростным напором и уменьшением усилий сжатия, возникающих в имитаторе позвоночного столба сидящего в КК антропоморфного манекена.

Для подтверждения допустимости использования экспериментальных данных, полученных с использованием антропоморфных манекенов, при корректировке существующих на сегодняшний день критериев безопасности применения КК, была выполнена экспериментальная работа, призванная сравнить динамические реакции тела человека и антропоморфного манекена на условия катапультирования.

Серия сравнительных исследований, проведенных с участием испытателей и с использованием антропоморфного манекена Hybrid-III, позволила подтвердить, что их динамические реакции на воздействие, аналогичное тому, что возникают при катапультировании на больших скоростях во время выхода кресла в поток, различаются не более, чем на 10…15% как по амплитуде, так и по скорости изменения и суммарному импульсу силы (рис. 6). Некоторое запаздывания фазы изменения нагрузки и отсутствие более высокочастотных гармоник изменения контактной силы для тела человека существенно не влияют на восприятие элементами его позвоночника действующей нагрузки. Следовательно, все количественные и качественные выводы по влиянию на безопасность применения КК условий катапультирования, сделанные на основании анализа экспериментальных данных, полученных с использованием антропоморфных манекенов, можно напрямую распространить на летчиков.

Рисунок 6 – Изменение контактной силы между КК и сидящем в нем испытателем/антропоморфным манекеном при их вертикальном нагружении

Таким образом, на основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что существующие критерии оценки допустимости воздействия перегрузок в направлении «голова-таз» при катапультировании справедливы либо до индикаторных скоростей порядка 900 км/час, либо, на больших скоростях – только на связанном участке движения КК. При попадании же летчика в поток на большой скорости на верхнюю часть его тела действует аэродинамическая сила, которая может частично разгружать позвоночник, испытывающий сжимающую нагрузку от перегрузки катапультирования в направлении «голова – таз».

Следовательно, несмотря на то, что при катапультировании на больших скоростях на систему «КК + летчик» воздействуют повышенные перегрузки в направлении «голова – таз», безопасность однократного применения КК типа К-36 при прочих равных условиях не снижается, а повышается.

В пятой главе, основываясь на полученных экспериментальных и теоретических данных, были созданы и апробированы методики оценки допустимости воздействия перегрузки катапультирования «голова - таз», учитывающие особенности воздействия условий катапультирования на больших скоростях.