戳关注，右上菜单栏···键，设为星标
作者：彼得·唐纳森
飞机抗坠毁性（Crashworthiness），尤其是燃油系统的抗坠毁性，常常出现在新闻中。但和往常一样，这个问题比看起来要复杂得多。彼得·唐纳森探讨了构成航空器抗坠毁的各种要素。
抗坠毁性的概念看似简单，实际上是指飞行器在坠落中保护乘员免受重伤或死亡的能力。
对于直升机而言，一个重要的里程碑是美国陆军在 1974 年越南战争末期发布的《飞机坠毁生存设计指南》（ACSDG）。
虽然 ACSDG 并非对抗坠毁性的首次严肃研究，但它代表着一项重大进步，它针对军用直升机提供了全面而系统化的论述，并且也影响了民用直升机的设计和认证标准。
ACSDG 将现有知识、研究成果和最佳实践整合成一份文件，提供了详细的建议和指南，影响了军用标准 1290 以及美国 FAR-27/29 和欧洲 CS-27/29 中规定的抗坠毁性规则。
所有这些规则都体现了对抗坠毁性的全系统方法，包括机身、旋翼、起落架（有时）、座椅和约束装置，所有这些都有助于保护乘员。
抗坠毁座椅性能的关键在于能量衰减器。 East/West Industries 的设计采用了获得专利的锥形带衰减器。图片：East/West
莱昂纳多直升机公司产品工程主管埃马努埃莱·布法诺（Emanuele Bufano）强调，法规构成了旋翼机抗坠毁性的骨架，制造商可以在此基础上进行构建。
“我认为，要想在设计中考虑各种因素、丰富细节并获得最大的安全裕度，就必须借鉴运营服务的经验。”他说道，“我们拯救生命的举措不是为了满足要求，而是源于我们的设计标准。”
莱昂纳多公司在 AW609 民用倾转旋翼机认证过程中积累的经验得到了拓展，该机型同时符合FAR-29/CS-29大型旋翼机和FAR-25/CS-25大型固定翼飞机的要求。
“当然，直升机需要防护的加速度水平比飞机更高，因此两种要求都对我们提出了挑战，”布法诺说道。
上世纪 90 年代，A109K 坠落试验结果，当时的抗坠毁设计还不够完善。图片：莱昂纳多
A119 “考拉”最近也占据了布法诺团队的精力，他们的工作重点是认证后的升级。
“我们与美国联邦航空局 (FAA) 和欧洲航空安全局 (EASA) 合作，在驾驶舱和客舱内安装了抗坠毁座椅以及抗坠毁燃油系统，符合最新规定。我们现在覆盖了所有产品组合，并完全符合相关要求。”
在垂直碰撞中，主要的能量吸收部件是起落架、地板下结构和座椅。
马丁-贝克飞机公司首席系统工程师本·尼科尔 (Ben Nichol) 表示，按照它们设计运行的顺序，起落架将首先坍塌，然后地板下结构被压溃，最后是座椅的吸能行程。
马丁-贝克公司为西科斯基 S-92 提供所有座椅，也为特殊任务/航空医疗改装的直升机提供座椅，例如空客 H135/H145 以及莱昂纳多 AW139 和 AW101。
莱昂纳多抗坠毁座椅取证。图片：莱昂纳多
“我们的想法是，座椅在垂直坠落中吸收几乎所有的能量。”布法诺说。
他补充说，地板下结构在横向或纵向撞击中对于固定座椅和地板本身很重要。
莱昂纳多的设计目标是：在垂直轴上提供 20 g 的保护，横向 16 g和向前 12 g。后者比旋翼机标准更为严格，反映了固定翼飞机的实践标准，这可以转化应用于该公司在 AW609 上的工作。
“我们在最苛刻的条件下进行了测试。” 布法诺说道，“我们采取了最保守的方法，即在垂直撞击中没有额外的元件来吸收能量 - 因此我们在测试中不考虑起落架作为吸能元件。”
NASA 直升机坠落试验
其他角度
然而，马丁-贝克公司的本·尼科尔指出，军用和民用抗坠毁性标准都承认，纯粹垂直或水平碰撞的情况不太可能发生。
关键的垂直测试模拟 30 度机头向下撞击，军用标准还包括横滚分量。
军用和民用标准都包含偏航前向撞击测试。尼科尔补充道，这是对座椅和约束系统都至关重要的结构测试。
“通过结合精心设计的约束系统，座椅可以通过限制在非轴向撞击中的肢体甩动，为乘员提供增强的防护，避免头部撞击或高胸椎载荷。”East/West Industries 产品开发高级总监迈克·维特（Mike Vetter）说，该公司为波音 CH-47、西科斯基 CH-53 和 HH-60W 以及贝尔 412 和 505 提供座椅。
监管机构还提出了额外的要求，涉及姿态超出垂直状态的坠毁（例如存在显著的横滚、偏航、俯仰或速度）中来自旋翼系统和紧急出口的风险。
“在这种坠毁中，我们需要确保主旋翼和/或尾桨桨叶产生的任何碎片在坠毁过程中不会撞击到机舱内的任何人。” 布法诺补充道，“此外，紧急出口的数量必须足以让所有机组人员和乘客能够从一侧逃生。”
马丁-贝克公司尼科尔指出，客舱结构的强度是确保生存空间得以保留的关键。
“同样重要的是，要确保飞机前部的设计能够避免犁地，以增加向前撞击时的制动距离，并减少结构上的载荷。”
保持生存空间的挑战在于如何将客舱上方和后方大质量物体的载荷引导至远离飞机乘员的位置。
“传动装置连接到客舱的主框架上，所有载荷都向下传递到乘员区域外的地板上。” 布法诺说。
“因此，我们在这些条件下进行了坠落测试，以验证计算是否正确。”
“通过动态模拟和动态坠落测试，我们可以验证坠落过程中所有条件下乘员的姿态。”
布法诺指出，机舱内部设备也同样如此。
“例如，如果你有一架 HEMS (直升机紧急医疗服务) 飞机，在医生座位前有一个医疗装备架，我们需要确保它在设计和认证过程中是坠落测试的一部分。”
在主旋翼和尾桨的设计和布置中，考虑了防止桨叶碎片的措施，以确保在所有可能的旋翼位置下，离心力都能将其引导远离座舱。
“这在 eVTOL 构型中是一个非常热门的话题，目前对于 AW609 来说也非常重要，因为旋翼可能会对座舱产生影响。因此，我们必须正确定位紧急出口，并保护机身。”
座椅问题
制造抗坠毁座椅需要在满足安全性、功能性、人体工程学和舒适性要求的同时，平衡重量和成本。
“传统的减重方案通常会推高成本，考虑到任何特定平台的座椅数量，这都是不经济的。”East/West 的维特表示。
“针对相对较高的极限载荷情况进行设计需要高强度材料和全面的分析，以确保保留安全裕度。”
理想情况下，座椅和直升机应该协同工作，在坠落中保护乘员，但在现实世界中，妥协往往会使这变得更加困难。
现在，除飞行员外，其他机组人员也需要使用五点式安全带。图片：Martin-Baker
“很多情况下，制造商试图在座椅下方安装设备，这使得在剩余的吸能行程深度内满足抗坠毁性标准变得更加困难。” 马丁-贝克公司尼科尔说道。
“直升机内部空间通常也很局促，因此确保满足头部撞击标准 (HIC) 等要求也可能是一个挑战。”
作为与乘员联系最紧密的设备，抗坠毁座椅至关重要，其能力的核心在于其能量衰减器。多年来已经开发了多种此类装置。
例如，East/West Industries 使用了一种获得专利的锥形带衰减器。
“它在概念上类似于经典的‘弯线器’（wire bender）设计，但通过座椅吸能行程中使锥形带变形而得到增强。” 维特说道，“这种锥形设计可以适应各种坠毁条件。”
马丁-贝克座椅使用一种基于管子的专利机构，该管子被一对滚轮压溃。
“这是一种简单、轻量且坚固的能量吸收方法。” 尼科尔说道，“我们可以调整该系统，按照军用抗坠毁标准保护体型从最小到最大的乘员，无需任何重量调整。”
马丁-贝克座椅使用一种基于管子的专利机构，该管子被一对滚轮压溃。图片：Martin-Baker
Autoflug 公司在其 Flyweight 系列民用座椅中也采用了类似的材料变形吸能机制。
正如 Autoflug 销售经理费琳·乔纳斯（Feline Jonas）所描述的，座椅桶形结构向下移动，在座椅腿的导轨中滑动，并使连接在座椅桶形结构和座椅腿之间的管子变形。
Autoflug 的 Flyweight 座椅已通过欧洲技术标准规程 (ETSO) C127c、CS-27 和 CS-29 认证，设计适用于广泛的直升机型号，而非特定机型，同时该公司也成功通过了针对固定翼飞机的 CS-25 工程测试。
“检查直升机配置中连接点的定义方式始终是必要的，但一般来说，我们的座椅可以用于任何飞行平台。”乔纳斯说。
不同角色乘员的座椅主要区别在于运动和调节功能。飞行员和操作员座椅往往具有更强的可调节性以提升舒适度，并且具有不同的朝向。
乔纳斯表示，大多数飞行员座椅需要调整高度和位置（向前/向后滑动），以满足目视参考点。
“士兵座椅通常设计得非常轻便，衬垫很少，并且通常设计为可快速拆卸，以便为其他用途重新配置客舱。”图片：Martin-Baker
一些运营商要求每个飞行员座椅都配备五点式安全带，但这并非当局强制要求。
马丁-贝克公司尼科尔指出，后部机组座椅通常可以旋转，以便操作员在系好安全带的情况下执行其任务。
维特补充道，民用和军用运营商有时会允许飞行员和士兵/乘客座椅在抗坠毁要求上存在差异 - 其理由是飞行员在飞机上的时间可能比任何单个乘客或士兵都要长，这意味着他们面临的总体风险更高。
军事应用尤其会对乘员重量要求有所差异。此外，由于大多数直升机搭载的乘客/士兵人数多于机组人员，因此机组人员的座椅重量要求往往更为严格，他说道。
“大多数乘客座椅重量很轻，长期舒适度远低于乘员，而且几乎无法调节。”马丁-贝克公司尼科尔说道，“士兵座椅通常设计得非常轻便，衬垫很少，并且通常设计为可快速拆卸，以便为其他用途重新配置客舱。”
根据 Autoflug 乔纳斯的说法，构建具有不同功能但同时最大化其通用性的座椅系列，可以提供急需的灵活性和模块化，同时降低总体成本。
他们公司通过开发适用于多种座椅配置的组件（例如其能量吸收装置）来实现这一目标。
AW 119 MKII 抗坠毁座椅解决方案
座椅的研发对所有制造商来说都是一个持续的过程。
“我们改进了衰减器，从而实现了更大范围的乘员重量保护和更高的坠毁能量衰减，”East/West 公司的维特说。
他补充道，更多地使用建模和仿真减少了对物理测试程序的需求。
马丁-贝克一直致力于提升机组人员的舒适度，延长任务续航时间，并将公司弹射座椅业务的创新成果融入到其抗坠毁座椅的设计中。
Autoflug 最新研发成果是一套快卸装置系统，使客户能够快速便捷地安装和拆卸座椅，并采用轻量化机构进行前后和高度调节。
高载荷
安全带和背带对于总体安全至关重要，并且对于适应各种人体尺寸和形状的座椅的正常功能也至关重要。
座椅的性能会受到乘员施加的载荷的影响，而载荷又会受到乘员在座椅上位置的影响。
因此，安全带/背带必须在正常飞行条件、剧烈机动以及坠毁中提供安全约束，必须将其正确固定在人体上，以避免在高载荷下造成伤害。
此外，紧固/释放装置的设计必须使乘员能够在最困难的情况下轻松脱身 - 例如飞机在水中翻滚时。
“我们始终建议使用带惯性卷轴的四点式背带，因为它们非常安全，能将载荷均匀分布在身体各处，并提供更高的舒适度，”Autoflug 公司的乔纳斯说道，该公司自行生产安全带。
安全带对于各种体型乘员的抗坠毁座椅正常功能至关重要。图片：Martin-Baker
马丁-贝克公司尼科尔认为，大多数飞行员座椅都配备五点式安全带，因为它们能提供最高级别的安全性。他们的座椅配备 Schroth 公司的背带。
“由于四点式背带如果未正确佩戴和调整可能会导致约束失效，我们也越来越多地看到其他机组人员对五点式背带的需求。”
East/West 公司的维特指出，背带在设计和使用方面也存在问题，例如，操作所需的座椅位置与在坠毁中提供适当的固定位置之间存在冲突。
“让用户正确佩戴约束装置，无论是航空旅游还是 HEMS 用户，都是一个巨大的挑战 - 保持约束装置操作简单且高度可靠同样如此。”
Anjou Aero 公司的亚历山德拉·库尔卡（Alexandra Curca）告诉我们，无论旋翼机还是固定翼飞机，航空安全带、安全带延长器和躯干约束系统都必须符合 TSO/ETSO C22g 和 TSO/ETSO C114 等标准，以及 SAE AS 8043。
该公司为所有类型的飞机（尤其是空客直升机）生产飞行机组、乘务员和乘客安全带/背带系统，包括婴儿延长件。
为驾驶舱和乘务员座椅均配备三点式、四点式和五点式约束背带。
“在直升机上，我们减少了腹部安全带的使用，增加了三点式或四点式躯干约束系统，即使在乘客座椅上也是如此，” 库尔卡说道。
该公司于 1998 年认证了其第一条 16 g 安全带，并在过去十年中为其自己的实验室投资了新设备，用于坠毁测试，包括织带伸长和磨损测试以及盐雾测试。
抗坠毁燃油系统
抗坠毁燃油系统 (CRFS) 是防止坠毁后起火的最重要手段，而这些系统在满足适航要求方面也面临着自身的设计和开发挑战。
StandardAero 与 Robertson Aviation 合作，为空客 AS350 和 H125 系列的大多数机型以及 EC130 B4 提供 CRFS 改装套件。
该公司技术销售经理克里斯蒂安·布莱格伯恩（Christian Blagborne）表示，最大的挑战是“在 50 英尺（约 15 米）坠落的巨大冲击载荷以及与外部结构的碰撞下，实现燃油的完全保留”。
“此外，由于我们的主要目标是设计一个改装解决方案，我们必须考虑与直升机在其整个生命周期内的设计演变相兼容。这推动了对灵活且模块化设计的需求，在保持其耐用性的同时，最大限度地降低重量和安装复杂性。”
由 StandardAero 和 Robertson Aviation 设计的抗坠毁燃油系统 (CRFS)。图片：StandardAero/Robertson
从飞机制造商的角度来看，布法诺表示，主要障碍在于测试解决方案并证明其符合认证要求。
他认为，FAA 规则的变更允许油箱在没有任何周围结构但能量水平相对较低的情况下进行坠落测试，代表了要求的略微放宽，而使用周围结构进行测试是满足要求的一种更现实且更经济的方式。
CRFS 必须满足燃油系统的所有常规要求，例如燃油输送、燃油量传感和系统监控，但抗坠毁的主要部件是油箱囊（fuel tank bladder）、外部容器（external container）和拉断阀（breakaway valves）。
其他部件包括带有翻滚保护的内置通风系统、钢编织软管以及主燃油供应管路上的拉断阀，用于在主燃油管路破裂时隔离油箱并防止燃油被泵出油箱。
StandardAero 的布莱格伯恩说，这些特性，加上带有分离环的加固加油口，使油箱能够在坠毁过程中自我隔离，并最大限度地降低周围结构变形造成的刺穿威胁。
他补充说，该系统以相当于满载燃油的重量从 50 英尺高度坠落到模拟直升机货物吊索（cargo swing）的锥形形状上进行了坠落测试。
油箱囊体承受的载荷非常极端，对囊体材料提出了严峻挑战。这推动了专门设计的燃油箱容器的开发，以容纳囊体并帮助其承受坠落载荷。
他解释说，该容器在特定位置采用了不同的复合材料层来吸收或转移载荷，同时尽可能减轻重量。
该设计还适用于已认证的多种机型，并支持快速改装。
StandardAero 的套件仅需两名技术人员组成的团队花费三天时间安装，报价略高于 10 万美元。
布法诺表示，莱昂纳多为 AW 119“考拉”设计的 CRFS 系统需要三到四周才能安装完毕，因为需要进行大量拆卸才能拆除现有的燃油箱。
根据现行的 FAA 规定，任何在 1994 年 11 月 2 日之前获得型号认证的航空器都不强制要求安装 CRFS。
然而，包括空客直升机公司在内的飞机制造商鼓励安装该系统，该公司为购买 StandardAero/Robertson 系统的客户提供 2.5 万美元的培训抵免。
AW 119 抗坠毁油箱系统
与此同时，欧洲航空安全局（EASA）正在研究在现有机队中强制实施 CRFS 的方案。
“只有在具备必要技术的情况下，强制实施 CRFS 的监管规定才是可行的。”StandardAero 公司的布莱格伯恩总结道。
虽然新型旋翼机设计已被抗坠毁性法规充分覆盖，但将老旧机型达到标准仍是一项正在进行的工作。
来源：When All Else Fails. By Peter Donaldson. RotorHub Mag, June/July 2024. 非原文配图及视频来源于网络。
版权声明：（原）图文及视频版权属于原作者及出版方，译文（归于本号）及相应编辑仅用于行业内同仁参考和相关爱好者阅读，不用于其他目的。
声 明：原创文章，欢迎联系获取转载授权，并注明来源飞行邦；转载文章，目的在于传递更多信息，并不代表平台赞同其观点和对其真实性负责。 如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时联系我们更正或删除 。文章版权归原作者及原出处所有 ，本平台只提供参考并不构成任何投资及应用建议。