科创中国

行业领域

电子信息技术,高端装备制造产业,智能制造装备产业

需求背景

功能越来越复杂的飞行头盔，重量和重心相比于传统头盔都出现了较大变化，飞行员佩戴后颈椎负荷明显增大。为了适应未来信息化作战环境，越来越多的显示、瞄准、通讯、生命保障功能被集成到头盔上，飞行员颈椎负荷还将进一步增大。

人体生理结构决定了颈椎受力情况不佳，这也造成了现代社会与颈椎相关的非健康状态的发生率居高不下，并有低龄化趋势。显然，保护颈椎是当代的一个普遍性问题。

自2003 年，F1 赛车已经强制普及了HANS（Head and NeckSupport），即头颈支撑装置。它是一种被动式的车用冲击束缚装置。HANS 既能防止车手的脊椎向后拉伤，也能将冲击力分散至肩膀、躯干等处，大幅降低了颈椎受伤的几率。实验数据显示，HANS 头颈保护系统可以让碰撞后车手头部摆动的速率减少44%，其颈部受力减少86%，头部受到的加速度减少68%。在同样的碰撞条件下，佩戴HANS 之后赛车手头部和颈部受到的冲击力将比没有佩戴HANS 的低4 倍以上。

F1 赛车最高速度可达350km/h。通过配用HANS 装置，近年来，在极限状态下，已成功挽救包括我国的周冠宇在内的多位车手。但是HANS 仅仅针对车辆碰撞工况进行设计，只能完成碰撞过程中头部摆动的限幅；HANS 整个工作过程是被动的，在驾驶过程中是无用的，对于垂直方向和侧向受力基本没有保护作用。

日常生活和医疗行业中使用的颈托能够将头部重量直接传递到肩、胸骨骼系统，从而降低颈椎负荷。它是被动工作的，工作过程中对头部的运动形式和幅度有很大的限制，承载力弱。

医疗行业中使用的颈椎牵引器材，能够依托外部机械支架，实现颈椎的卸载和反向施力牵引。由于医疗的特定需求，颈椎牵引器材并不考虑佩戴时的头部运动和对外界观察的需求。

当前汽车安全装置中，安全带已经成为强制配备的安全装置。现代安全带具备冲击负荷下自动锁死功能，通过限制乘员身体运动幅度，达到防治碰撞和‘鞭打’效应的功能。同时在小负荷下，允许安全带自由伸长，允许乘员自由移动身体；并且在无负荷下，能够自动收缩，完成收纳。

需解决的主要技术难题

1.多方走访，搜集现役和未来头盔的重量、重心、尺寸数据和弹射座椅的尺寸及飞机座舱头部空间尺寸数据；

2.多方争取经费支持，开展模型实物研究，获得基础性数据和控制律；

3.多方联系或者自行构造实验条件，实现各种载荷工况的地面实验实测；

4.进行飞行实验。

在战斗机高负荷工况下，受人体生理条件和飞机结构设计限制，飞行员头部主要承受指向飞机下方的力和力矩。与赛车手头部-颈椎受力明显不同，如图7 所示，飞行员头部需要提供代偿的力是三维的，而赛车手需要提供的代偿的力是单向的。

在弹射救生飞行工况下，飞行员头部主要承受向下的冲击性力和力矩。据公开资料介绍，该过载高达14G！在离开座舱后，飞行员的头部受到高速气流的吹袭，承受方向和大小都具有随机性的过载。在舰载飞机着舰飞行工况下，飞行员头部主要承受向前和向下的力和力矩。

期望实现的主要技术目标

F1 赛车已经普及了HANS（Head and NeckSupport），即头颈支撑装置。HANS 既能防止车手的脊椎向后拉伤，也能将冲击力分散至肩膀、躯干等处，大幅降低了颈椎受伤的几率。实验数据显示，HANS 头颈保护系统可以让碰撞后车手头部摆动的速率减少44%，其颈部受力减少86%，头部受到的加速度减少68%。在同样的碰撞条件下，佩戴HANS 之后赛车手头部和颈部受到的冲击力将比没有佩戴HANS 的低4 倍以上。F1 赛车最高速度可达350km/h。每次转弯时，由于离心力的作用，车手的颈部将承受4 个G 的横向离心力；刹车时往前的减速度超过5 个G。通过配用HANS 装置，近年来已成功挽救包括我国的周冠宇在内的多位车手。

处理进度