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NASA全尺寸抗坠毁实验历史
A History of Full-Scale Aircraft and Rotorcraft Crash Testing and Simulation
at NASA Langley Research Center
Karen E. Jackson, Richard L. Boitnott, and Edwin L. Fasanella
U.S. Army Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate
NASA Langley Research Center
Hampton, VA
Lisa E. Jones and Karen H. Lyle
Structural Dynamics Branch, Structures and Materials Competency
NASA Langley Research Center
Hampton, VA
摘要：本文总结了飞机和旋翼飞机在冲击动力学研究设施(IDRF)操作下的全尺寸抗坠毁试验。IDRF位于弗吉尼亚州汉普顿的美国国家航空航天局兰利研究中心，是一个240英尺高的钢桁架，最初被建造用于1960年初登月的模拟设施。在1970年初它被转换用于轻型飞机和旋翼飞机进行全面碰撞试验的设施。自从1974年二月首次进行了全尺寸抗坠毁试验，IDRF已经被用于去实施以下测试：通用航空(GA)飞机的全尺寸抗坠毁试验包括了对金属和复合通用航空飞机建立基线碰撞性能数据，这是一个具有里程碑意义的研究；直升机的全尺寸抗坠毁试验包括了铃声和西科斯基公司先进复合材料机身计划(ACAP)原型的碰撞合格性试验；军用直升机的线攻击保护系统(wsp)的合格性试验；架波音707运输机机身部分的竖直降落的测试；还有f - 111机组人员逃生系统模块的碰撞测试。对于以上这些测试，非线性瞬态动态编码被用来模拟机身的撞击响应，这些模拟评估了分析工具的性能，同时通过相关的测试分析来验证模型。2003年九月，NASA的兰利研究中心关闭了IDRF设施，2007年该项正在进行的计划被取消。因此，为了改善轻型飞机的防撞性所所涉及到的文件贡献变得很重要，旋翼飞机在IDRF操作下的全尺寸抗坠毁试验和模拟得以实现。
1.介绍
冲击动力学研究设施最初被建立用于登月研究设施(LLRF)，该设施于1965年开始运作。钢铁A形构架的门架结构高为240英尺,底部长为400英尺,宽为265英尺。LLRF是用来训练阿波罗宇航员在模拟降落在距离月球表面的150英尺的月球环境中飞行。宇航员在被固定在门架上的登月模块模拟器(LEMS)中进行这些测试。门式悬架系统旨在支撑LEMS总重量的六分之五，也就是模拟了月球引力场。门式悬架系统的下表面被改装成类似月球一样的景观并且晚上进行的许多测试模拟了在月球着陆期间的实际照明条件。图一展示了在登月研究设施的操作下LEMS下降到模拟月球表面的的照片。在1985年，该设施基于对阿波罗登月计划的重大贡献而被定为国家历史地标。参考文献1和2描述LLRF的操作功能和使用该设备进行下的飞行测试结果。
在阿波罗计划的最后，LLRF被转化为一种为了研究通用航空(GA)飞机防撞性的全面碰撞试验设施 并且被指定为冲击动力学研究设施(IDRF)。参考文献3叙述了全尺寸抗坠毁试验的目的和效益，“获取了发生碰撞对飞机结构的影响和荷载传递给机内人员的准确数据。这些数据可用于分析预测方法的相关结果。飞机的全尺寸抗坠毁试验也可以用来评估飞机结构、座位、约束系统在防撞方面的设计理念。”IDRF重要的特征之一就是能够在自由飞行的情况下进行轻型飞机和旋翼飞机的全尺寸抗坠毁试验；同时，能够控制试验样品的偏差影响和速度影响。并且全尺寸抗坠毁试验也可以在广泛的组合及垂直速度条件下进行。大多数通用航空飞机的测试都是在较高的正向速度和较低的垂直速度下进行。例如，1994年 Lear Fan 2100飞机是以82-fps的正向和31-fps的垂直速度下进行了全尺寸抗坠毁试验。相反,直升机通常在较低的正向速度和较高的垂直速度下进行测试。例如,1999年西科斯基标准直升机的碰撞试验是以31.5 fps的正向速度和38-fps垂直速度下进行的。目前IDRF仅限于承重30000磅或更少的试验样品。
(a) LEMS 下降到模拟月球表面. (b) LEMS被固定在门式结构上.
Figure 1. LEMS下降到模拟月球表面的的照片
自从1974年二月首次进行了全面碰撞试验，IDRF已经被用于去实施以下测试：通用航空(GA)飞机的全尺寸抗坠毁试验，包括了对金属和复合通用航空飞机建立基线碰撞性能数据，这是一个具有里程碑意义的研究；直升机的全尺寸抗坠毁试验，包括了铃声和西科斯基公司先进复合材料机身计划(ACAP)原型的碰撞合格性试验；军用直升机的线攻击保护系统(WSP)的合格性试验；架波音707运输机机身部分的竖直降落的测试；还有f - 111机组人员逃生系统模块的碰撞测试。2003年九月，NASA的兰利研究中心关闭了IDRF设施，2007年该项正在进行的计划被取消。因此，为了改善轻型飞机的防撞性所所涉及到的文件贡献变得很重要，旋翼飞机在IDRF操作下的全尺寸抗坠毁试验和模拟得以实现。因此，本文旨在描述了IDRF设施；突出了自1974年以来运用IDRF进行的最主要的全尺寸抗坠毁试验项目；并且用文件证明了在模拟结构影响时所采用的分析方法。
2.IDRF的描述
图二展示了IDRF的照片。门式结构面向东西方向并且由被安排在三组斜腿上的桁架元素组成，这让设施在纵向和侧向有了支撑。另一个位于门式东端的斜腿提供了纵向支撑。这些斜腿距离垂直方向倾斜了25度角，距离地面水平265英寸。可以通过一个封闭的电梯和楼梯到达高空工作平台。一个可移动的桥梁横跨在217英尺的门式结构之间。1981年，在门式结构西北腿的下方添加了一个由垂直测试仪所规定的70英寸的垂直落塔，如图二（b）中所展示，这样的设备用于进行波音707机身部分的垂直下降测试。做这些测试的目的是为了在1984年的爱德华兹空军基地进行一个遥控式波音720运输机的全尺寸抗坠毁试验。
(a) 冲击动力学研究设施(IDRF)门式结构 (b) 垂直落塔
Figure 2. NASA兰利研究中心的冲击动力学研究设施(IDRF)的照片
如图三所示， 在冲击动力学研究设施(IDRF)下进行的全尺寸抗坠毁试验采用了钟摆技术。两个轴心点平台位于门式结构的西侧顶端，沿南北分布。这两个平台支撑着用于控制摇摆电缆长度的绞车。回调平台位于横跨门式结构东西方向400英寸的横动式桥梁的底部。这个平台还支撑了一个利用回调电缆提升待测飞机的绞车。摆动和回调电缆连接着悬挂的飞机和回调安全带。安全带是为了被测试的飞机构型专门设计的。可以通过调节悬挂飞机和回调安全带的电缆长度去提供大范围的起伏、倾跌、偏航的姿态。安全带通常被安装到机身的挂载点上。理想情况下这些挂载点都位于一条过试验样品重心的线上。在测试过程中，飞机通过回调电缆被提到需要的高度。随着倒计时，回调电缆突然中断，释放飞机到影响面上，这一步，摆动电缆突然从飞机上分离以至于在撞击过程中达到完全的释放。文献3和5中提供了全尺寸抗坠毁试验过程中更多的详细描述。
Figure 3. 在冲击动力学研究设施(IDRF)下进行的全尺寸抗坠毁试验示意图
3.通用航空飞机的碰撞测试程序
1974年，美国国家航空航天局(NASA)、 美国联邦航空局（FAA）和通用航空（GA）飞机工业之间的合作研究项目启动,这一项目提高了小型飞机的防撞性[6-15]。 这个项目旨在：a.测定了飞机结构、座位、乘客在撞击事件中的动态响应；b.测定了飞机在飞行速度、航迹角、螺旋角、横摇角等因素下结构损伤的程度和模式对飞行参数的影响；c.测定了乘客席位和保护系统的故障模式；d.测定了施压给乘客的冲击荷载。该计划包括大量的分析工作、测试数据评估和结构性的概念发展 ，主要集中于提高未来的通用航空飞机的生存能力，在重量和成本上有最小的增幅。
动态结构响应数据由在各种影响条件下进行的通用航空飞机全尺寸抗坠毁试验中获得。从1974年到1983年这十年中一共进行了33次碰撞试验。由于飞机已经在宾西法尼亚州的piper工厂中被洪水淹没，无法进行认证、改造或出售。所以大多数的测试报导(Piper Aztecs and Cherokees)都是从废铝中得到。之后受到巨大压力的派珀纳瓦霍人对塞斯纳172型飞机进行了碰撞测试。部分测试参数包括撞击速度，机体撞击的姿态和冲击表面（硬表面和软土）。图4展示了用于支持通航（GA）飞机冲撞测试项目而进行选择性冲击试验的照片。
Figure 4. 在冲击动力学研究设施下进行的通用航空飞机的全尺寸抗坠毁试验照片.
大多数通用航空（GA）飞机的全尺寸抗坠毁试验使用了前文所提到的钟摆摆动技术。这种测试方法足以获得典型小型通航飞机起飞和降落的冲击速度。然而，这样获得的冲击速度对于1980年代初受到巨大压力的派珀纳瓦霍人所开展的碰撞测试是不够的。对于这些测试，装在飞机机翼上的火箭里使用了一个速度增强系统（VAS）。当飞机在回调位置时火箭发射, 使它们在发射之前构建推力。通过这个过程，能释放出132-176fps的冲击速度。图5展示了派珀纳瓦霍人的速度增强系统测试（VAS）。
Figure 5.安装了速度增强系统的派珀纳瓦霍飞机的全尺寸抗坠毁试验照片.
因为它不可能对所有潜在的影响状况进行评估，而且大多数测试在较严格的撞击条件下进行，所以依然存在潜在的通航飞机失事状况。在通航（GA）飞机碰撞测试期间获取的数据是用来定义碰撞事件中机体结构和乘客所处的加速度水平。把乘客的数据和不同人体受伤的预测标准数据进行比较，以确定在飞机碰撞过程中人员受伤的风险水平。从这一里程碑式的碰撞测试程序中获得的结构数据建立了飞机座椅的冲撞标准，并且在今天仍然被使用作为美国联邦航空局（FAA）对于座位认证测试的标准。之后，这些数据成为了制定通用航空飞机碰撞生存设计指南的依据[16]。
3.1 Lear Fan 2100飞机的全尺寸抗坠毁试验
在80年代初NASA兰利对通航飞机（GA）碰撞研究计划的重点从金属机身结构转移到复合材料。作为这种努力的一部分，当Lear Fan公司进入破产时，获得了两架原型Lear Fan2100飞机进行碰撞测试。Lear Fan飞机主要的构造是使用了框架加筋外表设计的环氧树脂复合面料[17]。 该机的底层地板由复合支柱支撑的坚硬铝合金龙骨梁构成。由于机身没有包含吸收组件足够的能量，所以制定了一个决定去测试未改造过的飞机，或基线，配置然后再改装第二架具有缓冲底层地板的复合能量的飞机。文献18和19中描述了该复合底层地板的发展。图6展示了Lear Fan飞机的碰撞测试。
(a)飞机位于释放位置.
(b)测试后的照片
Figure 6. Lear Fan 2100飞机的碰撞测试.
在1994年，基线飞机以82 fps的正向和31 fps的垂直速度到达刚性冲击表面而进行了碰撞测试。该飞机具有三个荷载限制和四个标准非防撞飞机座椅，所有这些都是面向前的测试。此外，胶合板舱壁墙被安装在最靠后的一对座椅的前方以容纳安全气囊。每个座位上装置一个拟人试验模型设备。这个碰撞测试结果展示，此组合式飞机的最低加速度明显高于可比较的全金属飞机。这些结果表明，这种类型的组合式机身设计不是最佳的耐撞设计[20]。
3.2 Beech Starship
作为 高级通用航空运输实验（AGATE）的一部分，在1995年进行了Beech Starship飞机的全尺寸抗坠毁试验。Starship是取得美国联邦航空局（FAA）认证的第一个组合式飞机；然而，它不再被生产。机身的制造是配有防弹面片和Nomex蜂窝芯的复合材料夹层结构。文献21中描述了该机内置防撞的设计特点。冲击动力学研究设施(IDRF)以83 fps的正向和27 fps的垂直速度进行了全尺寸抗坠毁试验。飞机在初始碰撞下滑出，在土质屏障发生二次碰撞。这种影响产生了座椅和乘员的纵向载荷，以此评估了安全气囊的保护系统。图7展示了Beech Starship的先行版本和后测照片。
(a)预释放照片. (b)测试后照片.
Figure 7. Beech Starship测试前后照片.
3.3 改进的Cirrus SR-20
在1995年，美国航空航天局授予特里工程公司一个小企业创新研究（SBIR）合同去研究设计改进轻型飞机的耐撞性，包括anti-plowing功能。该研究项目旨在评估了飞机在软土影响下减缓高纵向加速度的改装。理想情况下，对飞机的修改应当使它沿着土壤表面滑动。作为小企业创新研究（SBIR）的一部分，特里工程公司与西锐飞机公司合作去开发设计改造。1996到1997两年时间里，进行了四个全尺寸抗坠毁试验，其中两个在混凝土上进行另外两个在软土上进行。每一个测试都是在相同的冲击姿态和速度条件下进行。图8展示了四个飞机中的一架在冲击动力学研究设施(IDRF)下的释放位置。这些修改是有效的并且展示出了为提高机身的整体碰撞而做出相对较小的设计变更的可能性[22
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