试析飞行员头盔质量特性测量设备和方法

许星鑫 甘俊杰

（航宇救生装备有限公司，襄阳 441000）

伴随着科技的进步以及航空飞行的需求发展，飞行员个体防护装备功能日趋增多，以飞行头盔为例。

在实践应用中，由于头盔和面罩形状不规则、材质不均匀以及工艺复杂，在研究和制作过程中充满了不确定性，例如，电缆和氧气管的走向和材质、粗细等，依赖理论计算是不够的，而要准确获得其质量特性，就必须精确测量头盔及其附加装置的质量特性，因此，能够测量飞行员头盔质量特性的设备和方法，就具有重要理论意义和现实意义。

1 当前飞行员头盔测量存在的问题

在早期研究中，为测量头盔重心，研究员采用转动的方法，具体操作是在左右对心的两个水平转轴上挤压头盔，实际上，这种测量方法只是无限接近重心，在操作中定位困难，在测量数据上精度不够，无法满足当前飞行员头盔多种功能集合的需要，因此，早早被淘汰。

此外，测量设备也存在问题，具体包括四个方面：

第一，操作不够方便。在传统测量设备中，头模是被固定于一个六面箱中，一旦调整头盔，就需要开箱，浪费时间，消耗精力。第二，由于传统设备中箱体较小，使得测量时不能安装夜视镜。显示器等装置在头盔上，偏离了测量的意义。第三，由于采用六面箱体，螺丝固定，使得使用过程中箱体沉、噪音大。第四，最重要的问题误差较大。因此，测量结果缺乏对头盔附加装置的针对性。

2 对测量设备和方法的改进

为解决传统测量方法和设备造成的问题，本次研究重新设计了针对头盔质量和重心的测量平台以及测量方法。

2.1 确定头盔质量特性测量的坐标系

为对飞行员头盔进行完整描述。其重心以人头重心为参考。因此，在头盔重心测量中，可以应用法兰克福平面，以两耳连线的中点，在人头头部解刨学的基础上，建立坐标系。同时，由于头模是被固定于框架上，因此，未来便于测量，在建立坐标系时，以框架支点确定头模的人头头部解刨学坐标，从而建立头盔质量特性测量的坐标系，如图1所示。

2.2 头盔质量特性测量设备

头模、框架、承重传感器平台、数据采集器和数据处理软件共同构成了本次头盔质量特性测量设备，具体构造如图2所示。

在上述设备中，头模的作用是为了固定头盔及面罩。该头模采用3D打印技术，以树脂为原材料，针对我国飞行员（男性）的实际头围测定数据，按照从小到大，选取数据中第五百分位、第五十百分位以及第九十五百分位的数据，制作出小、中、大三种型号。

图1 用于头盔质量特性测量的坐标系

图2 头盔质量、重心测量设备

该设备中，用于测量的承重传感器，起到了支持框架的作用，其测量范围包括头模、面罩、头盔以及框架的重量（重力），在该部分，为使框架稳固，应用三个支持点，建立静力平衡力系。

在测量过程中，传感器测得重力会被数据采集器实时采集，为之后的重量及重心计算提供数据支持。该软件应用计算机设备，计算出头盔的重量等，依据头盔在人体头部解剖学中的坐标系，计算重心位置。其搜集的具体数据包含头模的质量、框架的质量以及头模和框架的总质量，等。为方便后续工作，以上数据皆存储在计算机里。

2.3 头盔质量特性测量方法

对头模规格的选取要依据被测量头盔的规格。先在框架上固定头模，之后在头模上正确佩戴被测头盔。转移框架至称重传感器上，保证三个称重传感器对应框架的三个支点。操作计算机，应用数据收集软件，计算框架静止后三个称重传感器上传的数据。

其中，被测量的头盔质量设为m1，统一框架水平放置的3个称重传感器读书分别为N1，N2，N3框架和头模的质量为m，重力加速为g，质量m1等于三个读数之和，其公式如下：

三个称重传感器的数据从计算机中读取，用来计算头盔的重心。在框架水平放置状态下，只能测量和计算两个轴上头盔的重心。为使重心在第三轴上，我们提高了3#称重传感器，使框架倾斜一个角度。根据框架放置和倾斜放置两种状态下的静平衡方程，得到框架坐标系下的头盔重心（x1,y1,z1）。

3 讨论与结论

其一，要以人体解剖学坐标系为基准，本次研究中，采用三个支点和三个传感器的重心测量方法，能够在提升其中一个传感器的基础上，通过使框架倾斜的前后，针对框架的水平放置和倾斜放置的不同，测量三个坐标轴的重心测量，从而简化测量过程。

其二，创新测量方法，为实现测量转动惯量，可以同时扭摆三个坐标轴并可90o转动头模。固定头盔在头模上，按动框架中两个相互垂直的圆环，以及扭摆平台上的圆环，实现框架的整体刚性复合体，在测量过程中，确保头盔稳固。

本次研究改进了飞行员头盔质量特性测量的设备和方法，能够有效满足当下头盔及其附加装置的测量要求，该系统具有自动化、量程大、精准高、方便操作等特点，能够应用于各种头盔型号的实验测量。