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作者：彼得·唐納森

飛機抗墜毀性（Crashworthiness），尤其是燃油系統的抗墜毀性，常常出現在新聞中。但和往常一樣，這個問題比看起來要復雜得多。彼得·唐納森探討了構成航空器抗墜毀的各種要素。

抗墜毀性的概念看似簡單，實際上是指飛行器在墜落中保護乘員免受重傷或死亡的能力。

對于直升機而言，一個重要的里程碑是美國陸軍在 1974 年越南戰爭末期發布的《飛機墜毀生存設計指南》（ACSDG）。

雖然 ACSDG 并非對抗墜毀性的首次嚴肅研究，但它代表著一項重大進步，它針對軍用直升機提供了全面而系統化的論述，并且也影響了民用直升機的設計和認證標準。

ACSDG 將現有知識、研究成果和最佳實踐整合成一份文件，提供了詳細的建議和指南，影響了軍用標準 1290 以及美國 FAR-27/29 和歐洲 CS-27/29 中規定的抗墜毀性規則。

所有這些規則都體現了對抗墜毀性的全系統方法，包括機身、旋翼、起落架（有時）、座椅和約束裝置，所有這些都有助于保護乘員。

抗墜毀座椅性能的關鍵在于能量衰減器。 East/West Industries 的設計采用了獲得專利的錐形帶衰減器。圖片：East/West

萊昂納多直升機公司產品工程主管埃馬努埃萊·布法諾（Emanuele Bufano）強調，法規構成了旋翼機抗墜毀性的骨架，制造商可以在此基礎上進行構建。

“我認為，要想在設計中考慮各種因素、豐富細節并獲得最大的安全裕度，就必須借鑒運營服務的經驗?！彼f道，“我們拯救生命的舉措不是為了滿足要求，而是源于我們的設計標準?！?/p>

萊昂納多公司在 AW609 民用傾轉旋翼機認證過程中積累的經驗得到了拓展，該機型同時符合FAR-29/CS-29大型旋翼機和FAR-25/CS-25大型固定翼飛機的要求。

“當然，直升機需要防護的加速度水平比飛機更高，因此兩種要求都對我們提出了挑戰，”布法諾說道。

上世紀 90 年代，A109K 墜落試驗結果，當時的抗墜毀設計還不夠完善。圖片：萊昂納多

A119 “考拉”最近也占據了布法諾團隊的精力，他們的工作重點是認證后的升級。

“我們與美國聯邦航空局 (FAA) 和歐洲航空安全局 (EASA) 合作，在駕駛艙和客艙內安裝了抗墜毀座椅以及抗墜毀燃油系統，符合最新規定。我們現在覆蓋了所有產品組合，并完全符合相關要求?！?/p>

在垂直碰撞中，主要的能量吸收部件是起落架、地板下結構和座椅。

馬丁-貝克飛機公司首席系統工程師本·尼科爾 (Ben Nichol) 表示，按照它們設計運行的順序，起落架將首先坍塌，然后地板下結構被壓潰，最后是座椅的吸能行程。

馬丁-貝克公司為西科斯基 S-92 提供所有座椅，也為特殊任務/航空醫療改裝的直升機提供座椅，例如空客 H135/H145 以及萊昂納多 AW139 和 AW101。

萊昂納多抗墜毀座椅取證。圖片：萊昂納多

“我們的想法是，座椅在垂直墜落中吸收幾乎所有的能量。”布法諾說。

他補充說，地板下結構在橫向或縱向撞擊中對于固定座椅和地板本身很重要。

萊昂納多的設計目標是：在垂直軸上提供 20 g 的保護，橫向 16 g和向前 12 g。后者比旋翼機標準更為嚴格，反映了固定翼飛機的實踐標準，這可以轉化應用于該公司在 AW609 上的工作。

“我們在最苛刻的條件下進行了測試?！?布法諾說道，“我們采取了最保守的方法，即在垂直撞擊中沒有額外的元件來吸收能量 - 因此我們在測試中不考慮起落架作為吸能元件?！?/p>

NASA 直升機墜落試驗

其他角度

然而，馬丁-貝克公司的本·尼科爾指出，軍用和民用抗墜毀性標準都承認，純粹垂直或水平碰撞的情況不太可能發生。

關鍵的垂直測試模擬 30 度機頭向下撞擊，軍用標準還包括橫滾分量。

軍用和民用標準都包含偏航前向撞擊測試。尼科爾補充道，這是對座椅和約束系統都至關重要的結構測試。

“通過結合精心設計的約束系統，座椅可以通過限制在非軸向撞擊中的肢體甩動，為乘員提供增強的防護，避免頭部撞擊或高胸椎載荷?！盓ast/West Industries 產品開發高級總監邁克·維特（Mike Vetter）說，該公司為波音 CH-47、西科斯基 CH-53 和 HH-60W 以及貝爾 412 和 505 提供座椅。

監管機構還提出了額外的要求，涉及姿態超出垂直狀態的墜毀（例如存在顯著的橫滾、偏航、俯仰或速度）中來自旋翼系統和緊急出口的風險。

“在這種墜毀中，我們需要確保主旋翼和/或尾槳槳葉產生的任何碎片在墜毀過程中不會撞擊到機艙內的任何人?！?布法諾補充道，“此外，緊急出口的數量必須足以讓所有機組人員和乘客能夠從一側逃生?！?/p>

馬丁-貝克公司尼科爾指出，客艙結構的強度是確保生存空間得以保留的關鍵。

“同樣重要的是，要確保飛機前部的設計能夠避免犁地，以增加向前撞擊時的制動距離，并減少結構上的載荷?！?/p>

保持生存空間的挑戰在于如何將客艙上方和后方大質量物體的載荷引導至遠離飛機乘員的位置。

“傳動裝置連接到客艙的主框架上，所有載荷都向下傳遞到乘員區域外的地板上?！?布法諾說。

“因此，我們在這些條件下進行了墜落測試，以驗證計算是否正確。”

“通過動態模擬和動態墜落測試，我們可以驗證墜落過程中所有條件下乘員的姿態?！?/p>

布法諾指出，機艙內部設備也同樣如此。

“例如，如果你有一架 HEMS (直升機緊急醫療服務) 飛機，在醫生座位前有一個醫療裝備架，我們需要確保它在設計和認證過程中是墜落測試的一部分。”

在主旋翼和尾槳的設計和布置中，考慮了防止槳葉碎片的措施，以確保在所有可能的旋翼位置下，離心力都能將其引導遠離座艙。

“這在 eVTOL 構型中是一個非常熱門的話題，目前對于 AW609 來說也非常重要，因為旋翼可能會對座艙產生影響。因此，我們必須正確定位緊急出口，并保護機身?！?/p>

座椅問題

制造抗墜毀座椅需要在滿足安全性、功能性、人體工程學和舒適性要求的同時，平衡重量和成本。

“傳統的減重方案通常會推高成本，考慮到任何特定平臺的座椅數量，這都是不經濟的。”East/West 的維特表示。

“針對相對較高的極限載荷情況進行設計需要高強度材料和全面的分析，以確保保留安全裕度?！?/p>

理想情況下，座椅和直升機應該協同工作，在墜落中保護乘員，但在現實世界中，妥協往往會使這變得更加困難。

現在，除飛行員外，其他機組人員也需要使用五點式安全帶。圖片：Martin-Baker

“很多情況下，制造商試圖在座椅下方安裝設備，這使得在剩余的吸能行程深度內滿足抗墜毀性標準變得更加困難?！?馬丁-貝克公司尼科爾說道。

“直升機內部空間通常也很局促，因此確保滿足頭部撞擊標準 (HIC) 等要求也可能是一個挑戰?！?/p>

作為與乘員聯系最緊密的設備，抗墜毀座椅至關重要，其能力的核心在于其能量衰減器。多年來已經開發了多種此類裝置。

例如，East/West Industries 使用了一種獲得專利的錐形帶衰減器。

“它在概念上類似于經典的‘彎線器’（wire bender）設計，但通過座椅吸能行程中使錐形帶變形而得到增強?！?維特說道，“這種錐形設計可以適應各種墜毀條件?！?/p>

馬丁-貝克座椅使用一種基于管子的專利機構，該管子被一對滾輪壓潰。

“這是一種簡單、輕量且堅固的能量吸收方法?！?尼科爾說道，“我們可以調整該系統，按照軍用抗墜毀標準保護體型從最小到最大的乘員，無需任何重量調整。”

馬丁-貝克座椅使用一種基于管子的專利機構，該管子被一對滾輪壓潰。圖片：Martin-Baker

Autoflug 公司在其 Flyweight 系列民用座椅中也采用了類似的材料變形吸能機制。

正如 Autoflug 銷售經理費琳·喬納斯（Feline Jonas）所描述的，座椅桶形結構向下移動，在座椅腿的導軌中滑動，并使連接在座椅桶形結構和座椅腿之間的管子變形。

Autoflug 的 Flyweight 座椅已通過歐洲技術標準規程 (ETSO) C127c、CS-27 和 CS-29 認證，設計適用于廣泛的直升機型號，而非特定機型，同時該公司也成功通過了針對固定翼飛機的 CS-25 工程測試。

“檢查直升機配置中連接點的定義方式始終是必要的，但一般來說，我們的座椅可以用于任何飛行平臺?！眴碳{斯說。

不同角色乘員的座椅主要區別在于運動和調節功能。飛行員和操作員座椅往往具有更強的可調節性以提升舒適度，并且具有不同的朝向。

喬納斯表示，大多數飛行員座椅需要調整高度和位置（向前/向后滑動），以滿足目視參考點。

“士兵座椅通常設計得非常輕便，襯墊很少，并且通常設計為可快速拆卸，以便為其他用途重新配置客艙?！眻D片：Martin-Baker

一些運營商要求每個飛行員座椅都配備五點式安全帶，但這并非當局強制要求。

馬丁-貝克公司尼科爾指出，后部機組座椅通常可以旋轉，以便操作員在系好安全帶的情況下執行其任務。

維特補充道，民用和軍用運營商有時會允許飛行員和士兵/乘客座椅在抗墜毀要求上存在差異 - 其理由是飛行員在飛機上的時間可能比任何單個乘客或士兵都要長，這意味著他們面臨的總體風險更高。

軍事應用尤其會對乘員重量要求有所差異。此外，由于大多數直升機搭載的乘客/士兵人數多于機組人員，因此機組人員的座椅重量要求往往更為嚴格，他說道。

“大多數乘客座椅重量很輕，長期舒適度遠低于乘員，而且幾乎無法調節?！瘪R丁-貝克公司尼科爾說道，“士兵座椅通常設計得非常輕便，襯墊很少，并且通常設計為可快速拆卸，以便為其他用途重新配置客艙?！?/p>

根據 Autoflug 喬納斯的說法，構建具有不同功能但同時最大化其通用性的座椅系列，可以提供急需的靈活性和模塊化，同時降低總體成本。

他們公司通過開發適用于多種座椅配置的組件（例如其能量吸收裝置）來實現這一目標。

AW 119 MKII 抗墜毀座椅解決方案

座椅的研發對所有制造商來說都是一個持續的過程。

“我們改進了衰減器，從而實現了更大范圍的乘員重量保護和更高的墜毀能量衰減，”East/West 公司的維特說。

他補充道，更多地使用建模和仿真減少了對物理測試程序的需求。

馬丁-貝克一直致力于提升機組人員的舒適度，延長任務續航時間，并將公司彈射座椅業務的創新成果融入到其抗墜毀座椅的設計中。

Autoflug 最新研發成果是一套快卸裝置系統，使客戶能夠快速便捷地安裝和拆卸座椅，并采用輕量化機構進行前后和高度調節。

高載荷

安全帶和背帶對于總體安全至關重要，并且對于適應各種人體尺寸和形狀的座椅的正常功能也至關重要。

座椅的性能會受到乘員施加的載荷的影響，而載荷又會受到乘員在座椅上位置的影響。

因此，安全帶/背帶必須在正常飛行條件、劇烈機動以及墜毀中提供安全約束，必須將其正確固定在人體上，以避免在高載荷下造成傷害。

此外，緊固/釋放裝置的設計必須使乘員能夠在最困難的情況下輕松脫身 - 例如飛機在水中翻滾時。

“我們始終建議使用帶慣性卷軸的四點式背帶，因為它們非常安全，能將載荷均勻分布在身體各處，并提供更高的舒適度，”Autoflug 公司的喬納斯說道，該公司自行生產安全帶。

安全帶對于各種體型乘員的抗墜毀座椅正常功能至關重要。圖片：Martin-Baker

馬丁-貝克公司尼科爾認為，大多數飛行員座椅都配備五點式安全帶，因為它們能提供最高級別的安全性。他們的座椅配備 Schroth 公司的背帶。

“由于四點式背帶如果未正確佩戴和調整可能會導致約束失效，我們也越來越多地看到其他機組人員對五點式背帶的需求?！?/p>

East/West 公司的維特指出，背帶在設計和使用方面也存在問題，例如，操作所需的座椅位置與在墜毀中提供適當的固定位置之間存在沖突。

“讓用戶正確佩戴約束裝置，無論是航空旅游還是 HEMS 用戶，都是一個巨大的挑戰 - 保持約束裝置操作簡單且高度可靠同樣如此。”

Anjou Aero 公司的亞歷山德拉·庫爾卡（Alexandra Curca）告訴我們，無論旋翼機還是固定翼飛機，航空安全帶、安全帶延長器和軀干約束系統都必須符合 TSO/ETSO C22g 和 TSO/ETSO C114 等標準，以及 SAE AS 8043。

該公司為所有類型的飛機（尤其是空客直升機）生產飛行機組、乘務員和乘客安全帶/背帶系統，包括嬰兒延長件。

為駕駛艙和乘務員座椅均配備三點式、四點式和五點式約束背帶。

“在直升機上，我們減少了腹部安全帶的使用，增加了三點式或四點式軀干約束系統，即使在乘客座椅上也是如此，” 庫爾卡說道。

該公司于 1998 年認證了其第一條 16 g 安全帶，并在過去十年中為其自己的實驗室投資了新設備，用于墜毀測試，包括織帶伸長和磨損測試以及鹽霧測試。

抗墜毀燃油系統

抗墜毀燃油系統 (CRFS) 是防止墜毀后起火的最重要手段，而這些系統在滿足適航要求方面也面臨著自身的設計和開發挑戰。

StandardAero 與 Robertson Aviation 合作，為空客 AS350 和 H125 系列的大多數機型以及 EC130 B4 提供 CRFS 改裝套件。

該公司技術銷售經理克里斯蒂安·布萊格伯恩（Christian Blagborne）表示，最大的挑戰是“在 50 英尺（約 15 米）墜落的巨大沖擊載荷以及與外部結構的碰撞下，實現燃油的完全保留”。

“此外，由于我們的主要目標是設計一個改裝解決方案，我們必須考慮與直升機在其整個生命周期內的設計演變相兼容。這推動了對靈活且模塊化設計的需求，在保持其耐用性的同時，最大限度地降低重量和安裝復雜性?！?/p>

由 StandardAero 和 Robertson Aviation 設計的抗墜毀燃油系統 (CRFS)。圖片：StandardAero/Robertson

從飛機制造商的角度來看，布法諾表示，主要障礙在于測試解決方案并證明其符合認證要求。

他認為，FAA 規則的變更允許油箱在沒有任何周圍結構但能量水平相對較低的情況下進行墜落測試，代表了要求的略微放寬，而使用周圍結構進行測試是滿足要求的一種更現實且更經濟的方式。

CRFS 必須滿足燃油系統的所有常規要求，例如燃油輸送、燃油量傳感和系統監控，但抗墜毀的主要部件是油箱囊（fuel tank bladder）、外部容器（external container）和拉斷閥（breakaway valves）。

其他部件包括帶有翻滾保護的內置通風系統、鋼編織軟管以及主燃油供應管路上的拉斷閥，用于在主燃油管路破裂時隔離油箱并防止燃油被泵出油箱。

StandardAero 的布萊格伯恩說，這些特性，加上帶有分離環的加固加油口，使油箱能夠在墜毀過程中自我隔離，并最大限度地降低周圍結構變形造成的刺穿威脅。

他補充說，該系統以相當于滿載燃油的重量從 50 英尺高度墜落到模擬直升機貨物吊索（cargo swing）的錐形形狀上進行了墜落測試。

油箱囊體承受的載荷非常極端，對囊體材料提出了嚴峻挑戰。這推動了專門設計的燃油箱容器的開發，以容納囊體并幫助其承受墜落載荷。

他解釋說，該容器在特定位置采用了不同的復合材料層來吸收或轉移載荷，同時盡可能減輕重量。

該設計還適用于已認證的多種機型，并支持快速改裝。

StandardAero 的套件僅需兩名技術人員組成的團隊花費三天時間安裝，報價略高于 10 萬美元。

布法諾表示，萊昂納多為 AW 119“考拉”設計的 CRFS 系統需要三到四周才能安裝完畢，因為需要進行大量拆卸才能拆除現有的燃油箱。

根據現行的 FAA 規定，任何在 1994 年 11 月 2 日之前獲得型號認證的航空器都不強制要求安裝 CRFS。

然而，包括空客直升機公司在內的飛機制造商鼓勵安裝該系統，該公司為購買 StandardAero/Robertson 系統的客戶提供 2.5 萬美元的培訓抵免。

AW 119 抗墜毀油箱系統

與此同時，歐洲航空安全局（EASA）正在研究在現有機隊中強制實施 CRFS 的方案。

“只有在具備必要技術的情況下，強制實施 CRFS 的監管規定才是可行的?！盨tandardAero 公司的布萊格伯恩總結道。

雖然新型旋翼機設計已被抗墜毀性法規充分覆蓋，但將老舊機型達到標準仍是一項正在進行的工作。

來源：When All Else Fails. By Peter Donaldson. RotorHub Mag, June/July 2024. 非原文配圖及視頻來源于網絡。

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