直升機駕駛員座椅舒適性指標量化研究

成 德，王欣宇，劉舒寧，顏 亮，曹棟波

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.武警部隊裝備部 裝備項目管理中心，北京 100071；3.海軍裝備部 裝備招標中心，北京 100071)

0 引言

直升機駕駛員座椅作為有人直升機必備的關鍵產品，時刻與駕駛員進行著交互，除其他技戰術要求的功能性能指標外，座椅舒適性也是一個重要的評價指標。直升機駕駛員座椅舒適程度決定著駕駛員的疲勞發生的早晚，良好的舒適性能夠更利于駕駛員長時間、高專注度執行任務[1-2]。

目前我國設計制造的直升機，由于前期研究中主要以作戰效能和重量作為考量指標，重點關注座椅的靜強度、抗墜毀能力和抗彈擊能力等參數，未對舒適性進行深入研究，導致不斷有外場飛行員反饋座椅舒適性差、座椅墊太硬、長時間飛行腰痛等問題。隨著我國直升機設計技術的發展，平臺能力基本成型，直升機設計目標從“飛起來”向著“飛得好”轉變，座椅舒適性問題也就成了亟待解決的問題。

我國直升機前期設計工作中針對舒適性的要求以定性為主，例如“座椅需滿足人機工程學設計要求，提高乘坐舒適性”等，缺少顯著的強相關定量考核指標，對座椅軟硬度、支撐性、透氣性等飛行員重點關注的指標更是缺少有效的定量研究。因此，迫切需要針對直升機座椅舒適性進行深入研究，找出能夠定量評估座椅舒適性的指標，并給出可行的測量方法。

Thomae等人[3]的研究指出，82%～92%的直升機駕駛員都一定程度上受到因座椅引起的腰痛問題的困擾。通過分析人體坐姿情況下肌肉受力和脊柱受力可知，脊柱的L4-L5之間的壓力是最主要的脊柱受力，位置如圖1所示。該區域也是醫學上腰椎間盤突出病癥和腰肌勞損的多發位置。大量醫學報告指出，上述病癥是造成腰痛的重要因素，這也進一步印證了在座椅參數設計中需考慮座椅舒適性的必要性。

圖1 坐姿人體脊椎示意圖

目前針對直升機駕駛員座椅舒適性的研究普遍集中在力學仿真和基于人體工程學的尺寸優化，通過建立人椅交互力學模型，分析了座椅的各參數對舒適性的影響[4]，然而尚缺少對于座椅本身材料屬性等性質對人體舒適性影響的研究，無法定量考核座椅的實際效能。上述問題嚴重制約了座椅的設計和擇優,因此仍需針對駕駛員座椅的舒適性指標進行深入的分析討論和獲取。

1 舒適性指標選取和量化

為了明確直升機駕駛員座椅各參數對舒適性的影響，考慮到實際設計生產的可行性，本文通過分析人椅之間的作用關系，將駕駛員座椅分解為坐墊、背靠、腰靠和頭靠四個主要區域進行研究。針對不同區域的關鍵影響因素進行剖析，判斷每個影響因素的作用機理和量化方法，給出合理的測量區間，以及可行的測量方法。

1.1 座椅坐墊

當人體在坐姿狀態下接觸剛性平面時，實際上只有臀部的兩塊坐骨結節及其上少量的肌肉與平面作用，人體重的75%左右由約25 cm2的坐骨周圍部位承受。當使用坐墊后，身體能夠適應地陷入坐墊，從而將小面積的集中載荷轉換為坐墊上的分布載荷，有效降低坐骨結節處受力，提升舒適性。

坐墊主要由兩部分材料組成，即內發泡材料(內芯)和外包裝材料(椅墊罩)。內發泡材料主要起到支撐和包裹人體、傳遞載荷和吸收振動等作用。外包裝材料主要起到防磨、防火和改善透氣性等作用。座椅坐墊與人體之間的主要作用關系為擠壓、接觸和摩擦，據此可知，坐墊的舒適性關鍵指標為：軟硬度、透氣性和摩擦系數。

1.1.1 軟硬度

當駕駛員坐在座椅上飛行時，腰臀部和大腿下側在座椅的擠壓力作用下會產生變形，從而壓迫皮下組織導致血流不暢，引起局部缺血。人體為保證局部的供血充足，會增加毛細血管的血流量，進而引起局部紅腫，長期如此則會造成壓力區的軟組織損傷，產生疼痛。

當坐墊較硬時，人椅接觸面積小，局部組織受力大，更易造成疼痛。當座椅墊較軟時，盡管增大了人椅接觸面，減少了局部疼痛，但過軟的坐墊會限制駕駛員腿部動作，影響飛行安全性，且硬度不夠的坐墊無法有效傳遞壓力，反而加重了坐骨結節處的受力。

通過分析人體與坐墊的作用關系可知，壓力分布最大的區域應為人體坐骨結節處。根據GJB 2873-1997《軍事裝備和設施的人機工程設計準則》，選取質量較大的第95百分位體重的飛行員作為研究對象，考慮衣服及裝備的重量，取1名駕駛員體重為90 kg。在上文中已知，座椅墊越硬局部受力越大。為明確座椅墊硬度上限，參考裝型[2012] 88號文件《718工程飛行員防護救生裝備舒適性評價指標和方法》中對人體坐姿局部載荷的限制要求，當具有第95百分位體重的駕駛員乘坐座椅時，座面坐骨結節處的壓力分布應最大且不大于3.0 N/cm2。

目前，坐墊使用的內發泡材料主要有高回彈聚氨酯發泡軟墊等高密度高回彈泡沫材料。設材料泊松比為v，彈性模量為E，坐墊下陷高度為h，人體質量為m，并假設：

①人體質量全部作用在坐墊上；

②材料無加工硬化；

③坐骨結節處近似為一球面，半徑為R，面積為S；

④坐骨結節處承受75%的重量。

根據HerZ接觸理論，接觸區的壓力分布為拋物線形：

(1)

式中，P0為接觸中心處的最大壓力，r為接觸點距接觸中心的徑向距離。

對上式中的r進行積分，得到接觸區合力為：

(2)

接觸半徑a的表達式為：

(3)

式中E*為等效彈性模量，其表達式為：

(4)

式中，E和Ei分別為人體和坐墊的彈性模量，v和vi為二者的泊松比。

在上文中已述，人體坐骨結節處軟組織較少，骨頭與軟組織和坐墊相比可假設為剛體。材料的等效模量僅保留坐墊的彈性模量Ei。

化簡上述公式可得，接觸力F、最大接觸壓力P0，接觸半徑a與壓入深度h之間的關系分別為：

(5)

(6)

(7)

人體和坐墊之間的接觸面積為：

(8)

考慮直升機駕駛員的操作可達性，坐墊的下陷高度h根據經驗取不超過15 mm，參考GJB 4856-2003取95%百分位人體坐姿臀寬的1/4作為接觸半徑a，坐墊的設計限制應為：

F≥mg

(9)

P0≤30kPa

(10)

將上述數據代入公式(5)-(10)中解得：

(11)

(12)

S=0.0156m2=156cm2

(13)

聯立公式(11)和(12)可得：

(14)

分析公式(13)可知，使用坐墊后，相較于前文所述的坐骨結節處人體尺寸，座椅墊有效增加了人體與座椅之間的接觸面積，從而將人體重量分布至座椅面上，避免臀部因長時間受到較大壓力的作用而產生疼痛感。

公式(14)給出了坐墊材料系數的選擇范圍，材料的泊松比和彈性模量需滿足公式中的上下限要求才能既保證坐墊承重后下陷量不超過15 mm，又保證坐墊最大壓力處不超過人體耐受極限，同時滿足直升機駕駛員座椅的功能性和舒適性要求。

1.1.2 透氣性

座椅的溫濕度特性也是座椅舒適性評價的重要影響因素。研究表明，當人體皮膚置于40%～60%的濕度環境時，代謝量較小，舒適感較好。當局部濕度增加時，皮膚呼吸不暢，疲勞感會加速形成。

影響駕駛員座椅濕度特性的關鍵指標為坐墊的透氣性。坐墊的內發泡材料主要為疏松多孔型的材料，透氣性良好，因此影響坐墊透氣性的主要影響因素為外包裝材料，即椅墊罩的材質。常用的椅墊罩材質包括皮革類、織物絨布類和人造材質類等。根據直升機技戰術要求，駕駛員座椅需滿足CCAR-29R2《運輸類旋翼航空器適航規定》中第853(a)條的阻燃性技術要求，真皮、人造皮革、易燃編織物等均不能作為坐墊罩的材料。因此，在材料選取時，需要尋找同時滿足透氣性要求和阻燃性要求的織物材料。

劉林玉[5]等人對12種不同阻燃織物的物理特性進行了研究，通過熱防護性能(TPP Thermal Protective Performance)試驗對試樣的阻燃性能進行了評定，如下式所示：

TPP=t2×q

(15)

式中，t2為引起2度燒傷的所需的時間(s)，q為系統設定的對流輻射熱流量，單位為kw/m。

試驗結果表明，采用以棉為主，輔以聚酰胺纖維的織物阻燃性能最好。但阻燃性與透氣性之間呈現負相關關系。這是由于織物的阻燃防護性主要是通過透氣率實現，透氣率低時熱量更不易在織物中傳遞。其一元線性回歸模型為：

TPP=11.774-0.002×λ

(16)

式中，λ為材料的透氣率。

根據物體輻射換熱公式：

Q=X1,2A1(Eb1-Eb2)

(17)

X1,2為兩物體的角系數，查表可得約為0.05，A1為輻射體表面積，Eb1和Eb2分別為兩物體間的熱輻射系數。

構建兩物體間的輻射換熱系統，考慮熱量散失，則兩物體間的輻射換熱量為：

(18)

式中，ε為材料的熱發射率。根據直升機駕駛艙材料及結構特征，假定情景為駕駛艙內飾起火，起火面積為0.5 m2，火焰溫度200 ℃，火焰未直接灼燒座椅，取ε=0.77，環境溫度25 ℃。則對流輻射熱流量約為：

q=162.294 w/m2

(19)

駕駛員的處理時間不大于30 s，因此材料的TPP值應不小于4.869 kw/m。取安全系數2，則TPP應不小于9.74。據此可算得，材料的透氣率可設計為：

λ≤1.018 m/s

(20)

在此基礎上，坐墊布罩透氣率與1.018越接近，座椅的舒適性越強。

上述關于透氣率的計算給出了一種駕駛員座椅坐墊透氣性設計的思路和實現方法。部分參數仍需根據不同直升機駕駛艙實際工況，結合試驗進行調整和參數標定，有針對性地獲取不同直升機型號的座椅墊材料透氣性設計區間。

1.1.3 摩擦系數

美軍曾在運輸兵舒適性調查研究工作中發現，采用摩擦系數較大的座椅墊能夠有效提升運輸兵的乘坐舒適性。為探究其原因，建立如圖2所示的駕駛員受力分析圖。

圖2 駕駛員受力情況

當駕駛員靠向座椅靠背時，人體臀部和座椅的接觸面會產生一個切向力，該切向力隨靠背角增大而增大。該切向力會與座面的摩擦力相抵消。當摩擦系數較小時，座面產生的摩擦力不足以抵消人體的切向力，駕駛員需要調動腰腹部和小腿肌肉來彌補缺少的反作用力，以防從座椅上滑下。當駕駛員無需調動腰腹力量支撐自身時，存在如下力學關系：

(21)

Ff=μFn2

(22)

f=μFn1

(23)

Ff+fsinθ=Fn1cosθ

(24)

Fn2+fcosθ+Fn1sinθ+Fn3=mg

(25)

聯立公式(21)-(25)，根據GJB3838和GJB4856給出l、b和a的參考值，假設人腿分擔重量系數為x，則坐墊摩擦系數需滿足：

(26)

取x=0.20，θ=15°代入數據驗證，μ的取值范圍有：

0.21≤μ≤1.33

(27)

在假設條件下，應取0.3以上摩擦系數的織物類坐墊布罩以滿足直升機駕駛員舒適性要求。盡可能不使用竹子或玉石等摩擦系數小于0.2的涼席或坐墊罩。

盡管增大坐墊摩擦系數能夠顯著抑制駕駛員下滑的趨勢，減輕腰腹部肌肉緊繃感，提升舒適性，然而摩擦系數大的材料普遍彈性差，硬度大，降低座椅舒適性。摩擦系數大的材料磨蝕作用更強，壽命相對較低?？紤]到直升機駕駛員座椅中，座椅墊的使用壽命一般為5到7年，即1500～2100飛行小時(Fh)。設每Fh內的摩擦次數為60次，參考汽車行業標準GMW14364對座椅墊壽命的耐久性的考核試驗，取耐久系數1.33，則其壽命需保證不少于11172次摩擦。

設材料抗拉強度為δ，材料截面積為s，加載力為Fn，單次材料去除量為n。若滿足壽命期內布罩不損壞，則需摩擦系數μ滿足：

μFn≤δ(s-lnN)

(28)

參考韓強等人[6-7]材料去除建模的研究，設材料量綱磨損系數為K，材料硬度為σ，則單次材料去除量厚度n存在如下關系：

(29)

參考常用的聚酯纖維材料，設材料寬度l為20 cm，厚度0.5 mm，取K=1.5×10-3，帶入其他相同假設解得μ的取值范圍極大。在假設條件下，坐墊布罩設計壽命范圍內不應發生因摩擦導致的破損。

綜上所述，直升機座椅的椅墊布罩摩擦系數應滿足公式(27)所述區間。

除了上述量化指標外，根據人體工程學原理，座椅墊與人體的貼合程度越高，人員乘坐的舒適性越強。因此，座椅墊設計時應合理設置凹凸曲面，盡量與標準人體坐姿下的背部、腰部和臀部曲線相貼合。

1.2 座椅背靠

使用靠背能夠極大地減輕人體受到的載荷作用。研究表明，有靠背的座椅相較于無靠背座椅能夠減少至少20%的腰背部壓力。通過對座椅背靠進行分析可知，座椅背靠主要的量化指標包括長度、寬度和靠背角度。其中，長度和寬度在設計時可參照GB14774《工作座椅一般人類工效學要求》相關內容進行選取，而靠背角度作為顯著的可量化參數尚無明確的標準對其進行約束。為此本節將以直升機駕駛員座椅的靠背角作為研究對象進行深入討論。

在碰撞研究中發現[8]，在正面碰撞中，座椅靠背角增大會導致約束系統效果下降，人體更易向下竄動，引發腰部損傷，即靠背角增大，駕駛員安全性下降，不能選取較大的靠背角。與之對應的，有研究表明，在90°～105°靠背角范圍內，人的腰椎受力會隨座椅靠背角增大而減小，即靠背角增大，舒適性增強。因此，需要給定一個合理的靠背角范圍，同時滿足座椅的安全性要求和舒適性要求。目前幾種現役直升機駕駛員座椅的靠背角或調節范圍如表2所示。表中還列出了外場反饋的該座椅舒適度反饋情況。

由表1可以看出，靠背角大于95°時座椅舒適度得到了有效改善。因此在進行靠背角設計時，應使直升機靠背角大于95°。

表1 現役直升機駕駛員座椅靠背角及舒適性

屈文濤[9]等人對座椅前沖條件下座椅靠背角與安全性的關聯研究表明，過大的座椅靠背角會顯著增加前向沖擊時的人體脊柱損傷概率。根據上文中對座椅摩擦系數的研究，公式(26)取材料摩擦系數μ=0.2，人腿分擔重量系數為x=0.20，則靠背角θ需滿足：

75°≤θ≤107.2°

(30)

設計時，為方便加工設計，且考慮到材料摩擦系數不會取得過小，可規定靠背角上限為110°。綜上所述，座椅靠背角的取值范圍應控制為：

95°≤θ≤110°

(31)

1.3 座椅腰靠

腰靠主要配置在座椅背靠上，負責對駕駛員腰部提供額外支撐。參考GJB4856《中國男性飛行員人體尺寸》中坐姿尺寸和GB14774《工作座椅一般人類工效學要求》，考慮材料的變形回彈得出腰靠的尺寸應滿足的要求，見表2。

表2 腰靠尺寸范圍

不同百分位直升機駕駛員對腰靠的實際需求存在著顯著差異，僅設定一種固定尺寸的腰靠難以滿足不同駕駛員的實際需要。因此，直升機駕駛員座椅腰靠需要具備調節功能。

1.4 座椅頭靠

直升機駕駛員座椅頭靠的主要作用包括對頭部的支撐和減輕墜毀時的反向沖擊。因座椅背靠承擔了駕駛員主要的傾轉載荷，座椅頭靠與駕駛員之間的相互作用不顯著，座椅頭靠的性能對舒適性無顯著影響。但在承受反向沖擊方面，當直升機發生沿航向動態沖擊后，人員頭部在慣性和安全帶的雙重作用下，呈現先向前后向后的運動軌跡，在返回時頭部會撞擊在座椅頭靠上，抑制頸椎產生較大扭轉。參考GB11550，駕駛員座椅頭靠靜強度需滿足：在頭靠頂部下65 mm處施加890 N的力，頭靠的位移不能超過80 mm。頭靠的動態沖擊強度需滿足：使重6.8 kg、直徑為165 mm的假頭以大于24.1 km/h的相對速度沖擊頭枕，頭枕骨架沒有結構性損壞。

綜上所述，座椅頭靠相較于坐墊，與駕駛員的交互作用較少，僅起到輔助支撐作用，因此對駕駛員的舒適性影響也較弱。在設計制造時主要考慮滿足強度要求，頭靠柔性填充材料選用與坐墊相同材料即可滿足要求。

2 設計驗證

在陸航某新型直升機的設計中，根據本文提出的設計指南，設計了如圖3所示的直升機駕駛員座椅，其主要參數如表3所示。

表3 某新型直升機駕駛員座椅設計參數

圖3 某新型直升機駕駛員座椅

經裝機驗證，抽取10名不同體型的地勤人員試乘該座椅，均反饋舒適性良好，證明上述的座椅舒適性設計量化指標具備較好的實用性。

3 結論和展望

本文通過將直升機駕駛員座椅分成坐墊、背靠、腰靠和頭靠四個部分進行研究，通過對人椅的交互作用分析，獲取了每個部分與舒適性強相關的量化指標。

針對坐墊涉及的軟硬度、透氣率和摩擦系數三個參數，通過理論計算的方法，在考慮坐墊實用性和阻燃性要求的基礎上提出了合理假設，給出了滿足駕駛員座椅舒適性要求的相關參數取值范圍。

針對座椅靠背設計的靠背角參數，在前人對座椅耐沖擊性和舒適性研究的基礎上，結合現役直升機駕駛員座椅舒適性的反饋情況，制定合理假設，結合摩擦系數的研究給出了靠背角的合理取值范圍。

通過對現有標準規范的檢索和歸納，分別給出了駕駛員座椅腰靠和頭靠的設計參數范圍和部分定型指標的注意事項，為新型座椅的設計提供了一定依據。

根據計算求得的各參數取值區間設計制造了新型直升機駕駛員座椅并進行了實物比測，結果表明，按照本文的參數區間制造的駕駛員座椅在滿足技戰術要求的前提上具備良好的乘坐舒適性。

本文在對舒適性量化指標進行選取時僅考慮了顯著相關的結構參數，對座椅型面、透氣孔開設、局部材料加強等能夠進一步提升座椅舒適性的指標未進行考慮，且在計算時提出了多個假設。在后續的研究工作中應結合試驗優化相關參數，減少假設條件，使計算結果的實用性更強。