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28 車輛研測資訊 100期 2014-06
http://www.artc.org.tw
一、前 言
無論是海外工作或是旅遊所需,人們搭乘飛
機的機會已變得十分普遍,飛航安全也日益受到重
視。只是一般民眾可能不知道,在航空工業發展初
期,飛機設計者與工程師們的重點幾乎都擺在在提
升飛機的機械性能,較少考慮到乘客的安全問題或
是考量當飛機發生事故時,該如何有效避免及減少
飛行員或者乘客的傷害。1930年代,美國福特Ford
4-AT-A Tri-Motor 商用飛機上所配備的乘客座椅,
採用的竟是以藤編製而成的座椅(如圖1),就現今的
角度來看,或許覺得不可思議,更重要的是倘若發
生飛安意外,這類座椅恐怕無法提供乘客任何有效
的安全保護。
根據波音公司對重大飛航事故的統計資料(如
圖2所示),飛機處於巡航(Cruise)階段佔飛行總行
程57%的時間,此時發生「重大致命失事率(Fatal
Accidents)」約佔總失事率9%左右;而在起飛爬升
與盤旋降落的飛行期間,雖然只佔總行程時間的
2%~6%,但此時的重大致命失事率卻佔總失事率
的57%,其中盤旋降落時的失事率更高達41%。除
此之外,進一步分析在大部分的飛機迫降事故中,
造成乘客死傷原因主要是由於迫降所引起的火災與
機身結構、地板變形以及乘客座椅碰撞與通道被阻
擋,而導致逃生不及(如圖3所示)。此一現象凸顯出
飛機座椅實是維護乘客安全的關鍵組件之一。
支撐、束縳與保護, 飛機座椅的角色扮演
車輛研究測試中心 施尚融
▼
圖1、美國福特Ford 4-AT-A Tri-Motor 飛機上配備
的藤椅 照片取自Airliners.net網站
▼
圖2:全球飛航事故統計資料 (資料取自 http://www.boeing.com/news/techissues/pdf/statsum.pdf)
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車輛研測資訊 100期 2014-06 29
二、飛機的安全性考量
不管是對於路上、海上或天上的交通工具,
盡可能避免事故發生是所有民眾及工程師都渴望達
到的目標;但意外總難完全避免。在依據飛機的
特性下,其安全性考量就著重在「可生存的意外
事故中,提高飛機上乘客的存活率」。依航空技
術而言,將此分為兩個層面,一個是「適航性」
(Airworthiness),即飛機本身在正常使用環境中保
持安全飛行的能力,此主要表現在飛機的飛行性
能上;另一個是「適墜性」(Emergency Landing
Conditions),意思是保證飛機在墜落/衝擊或其他緊
急事件中,得以保護乘客安全的能力,包含能讓機
上乘員受到最大程度保護的裝置,以及保有逃生空
間完整性與爭取更多逃生時間的設施等,好讓機上
乘客能成功撤離飛機。
當乘員進入客艙之後,活動空間絕大部份都
在座位範圍內,因此飛機座椅可說是當事故發生
時,站在第一線保護乘客安全的重要角色。例如
當遇到天候不良(如遭遇亂流)或是機件故障需緊急
迫降等狀況,座椅可透過吸能裝置吸收撞擊時的衝
擊力道,並且利用安全帶增加對乘客的束縛將其牢
牢固定在座椅上,從而盡量降低乘客所承受的衝擊
負荷;此外,當飛機墜落後,座椅本身即使發生變
形也不應堵塞通道,以免妨礙乘客逃生。換言之,
飛機座椅需要考量對乘客的束縛性能、座椅結構的
耐衝擊性與能量吸收,並使用防火無毒的材料等條
件,才能在乘客遭遇事故時,提供有效的安全防
護。
再者,與陸上交通工具所使用的座椅相比,
飛機遭遇垂直向的衝擊機率比較高,故而飛機座椅
比一般汽車座椅更講求垂直向的結構強度與能量吸
收設計,再加上考量飛機的燃油效率,因此如何
讓座椅同時兼具結構強度及輕量化要求,一直是
飛機座椅設計的一大挑戰。美國聯邦航空管理局
(Federal Aviation Administration, FAA),針對座椅的
適墜性與防火耐燃性能就分別訂立了相關的標準與
要求(FAR Part 25: Airworthiness standards: Transport
category airplanes ),其主要的章節包括FAR §25.561
適墜性一般要求、FAR §25.562緊急降落動態測試
要求與FAR §25.853防火耐燃測試,以作為飛機製
造商在飛機座椅設計上的基本性能要求。
▼
圖3、飛機事故照片擷取自http://www.aircraftdocuments.com/
failure-of-9g-seats-under-16g-load-test.html
飛機座椅耐衝擊性研究先驅1945年美國空軍的航空科學家約翰·斯塔普
博士(John Paul Stapp),為評估飛機座椅與乘客
防護性能對人體的影響,以自己作為實驗對象,
展開一系列人體衝擊承受能力試驗。其中包括他
親身乘坐一輛安裝火箭推進器的雪橇上,以時速
30 車輛研測資訊 100期 2014-06
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三、飛機座椅的結構強度測試
FAA在座椅的適墜性要求中,最早實施的是
FAR §25.561,規定座椅必須經靜態結構強度試驗
或合理的分析驗證,確認其結構可承受飛行過程中
的各項靜態負荷。其施力的估算方法是以乘客重量
(以77kg計之)加上整個座椅及附加物的重量,乘以
緊急降落時座椅可能遭受的各受力方向和負荷係數
(如表1);試驗方法則是依據SAE AS8049B規定,將
標準治具安裝於座椅上的負荷施力點(如圖4所示),
分別對座椅施加向前、向上、向下、側向及向後等
力量負荷,最少需持續3秒鐘,其座椅不可破壞。
由於在此標準中要求向前的靜態負荷係數為
重力加速度的9倍,所以航空業界也慣稱此為「9g
飛機座椅」規定。早期大多數客機的座椅設計,僅
需符合9g飛機座椅規定即可,但由於緊急迫降發生
時,座椅受到衝擊力道往往遠大於FAR §25.561要
求;此外,若機身地板結構發生損壞,亦可能會
造成座椅變形進而影響到乘客逃生空間,於是FAA
又提出了FAR §25.562 Emergency landing dynamic
conditions緊急降落時的16g動態強度測試要求,規
定座椅於緊急狀況時,應具備以下功能:
1. 保護乘客,減緩腿部、腰椎之傷害。
2. 確保機身附加物之強度,不可移動或破壞造成
乘客損傷。
632英里高速前進,然後在數秒內煞車,以模擬
飛機撞擊時的衝擊過程。透過他的實驗,證明了
合適的防護設備與堅固的座椅,可協助人體承受
約40G左右的衝擊力道,並不至於造成重大致死
傷害。斯塔普亦發現,如果飛機座椅採取後向安
裝方式,可將乘客向前的衝擊力量轉由椅背支撐
吸收,降低對人體的衝擊,比其他安裝方式更具
防護性能,因此早
期軍事運輸機的機
上座椅大多採取後
向安裝,以保護士
兵安全。但在民航
飛機方面,因考量
到乘客的舒適性,
習慣乘坐方向是朝
著要飛去的地方,
而非背向背對飛行
方向,所以現代各
類大眾運輸上的座
椅,大多採取前向
安裝。
▼
約翰·斯塔普博士乘坐於安
裝火箭推進器的雪橇
受力方向 負荷係數
向前 9.0 g
向上 3.0 g
向下 6.0 g
側向 4.0 g
後向 1.5 g
▼
圖4、SAE AS8049B飛機座椅垂直方向的靜態負荷
能力試驗 (資料來源取自於網路)
▼ 表1、FAR §25.561靜態負荷試驗條件
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車輛研測資訊 100期 2014-06 31
3. 適當使用上軀幹束縛系統,可避免乘客胸部的
嚴重傷害。
4. 確保乘客不致於被過度變形的座椅所困。
飛機座椅的動態測試方式與汽車座椅相同,
皆為使用模擬碰撞台車設備,利用台車在滑軌上
的加速運動,重現飛機迫降時的衝擊力量,以評
估飛機座椅的各項乘客保護性能。此項動態測試
包含了最大加速度14g的向下衝擊,以及最大加速
度16g的向前衝擊(如表2所示);測試時除了需將整
椅依規定角度安置於測試平台上,還需放置符合
規範之人偶(例如Hybrid-Ⅱ或FAA H-Ⅲ),人偶及
安全帶皆需裝置加速規或荷重元等感測器,以量
測衝擊過程中的物理量變化及數據,作為是否符
合的判定依據。通過此項試驗之座椅,在航空業
界則稱為「16g飛機座椅」。例如FAR §25.562要
求經上述動態測試後,其人偶傷害指數需符合下
列規範:
1. 人偶頭部傷害指數(HIC)值需小於1000;
2. 腰部受力需小於6.67 kN (1 kΝ約 102 公斤物體
的重量);
3. 大腿受力需小於10.0 kN;
4. 織帶張力需小於7.78 kN。
FAA從 2005年底開始,要求2009年底以後生
產之運輸類飛機需符合FAR §25.562動態測試要
求,所以目前新設計的客機,例如波音 787客機等
都已經符合相關規定。當然隨著16g飛機座椅愈來
愈普及,對於乘客所能提供的安全保障也會隨之
增加。
四、飛機座椅防火耐燃性測試
FAA要求飛機需依據FAR §25.853座艙內設備
之防火耐燃測試規範執行防火耐燃性能試驗,其中
飛機座椅需滿足FAR 25.853(a)之12秒垂直燃燒測試
及FAR 25.853(c)之油槍測試,除此之外,飛機製造
商針對飛機座椅還會有額外的煙濃度與毒性之要
求。
FAR 25.853(a)為材料之耐然性評估,主要是燃
燒一小試片,評估其燃燒長度,通常燃燒長度愈短
表示該材料愈不容易燃燒;FAR 25.853(c) 則是進行
全尺寸的航空座椅的油槍耐燃測試,此較能模擬事
故時的燃燒現象,也能評估飛機座椅真正的耐燃性
能(如表3及圖5所示)。
▼ 表2、FAR §25.562動態衝擊試驗條件
向下衝擊 向前衝擊
衝擊圖示
最大加速度 g 14 g 16 g
最大加速度時間 tr 0.08 sec 0.09 sec
速度變化 V 10.67 m/s 13.41 m/s
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五、結 語
由於飛機的航行是屬於三度立體空間的運動,
因此對乘客安全防護性能考量也相對複雜,在飛行
過程中,座椅不僅要提供旅客一個舒適的乘坐體
驗,且因其是最接近乘客的保護裝置,包括加裝在
座椅上的安全帶,都是為了當飛機不幸發生衝擊或
墜落時,能發揮支撐、束縳與保護三大功能,善盡
保護乘客的重責大任。為此,飛機製造商不斷研
發,希望透過座椅結構設計,使其變得更加穩固結
實,以減緩人體受到的衝擊力;同時又要具備足夠
的結構強度,不致因變形而影響事故後的救援活
動,從而將傷害降至最低。
透過本篇介紹,飛機座椅的重要性可見一斑,
以及其背後需通過高規嚴謹的要求,層層把關,絕
非僅在乎舒適而己。也希望能提醒更多民眾,日後
在搭乘飛機時,務必依照空服人員指示,正確使用
座椅、安全帶等機艙設備,才能使自己安全獲得最
大的保障。
六、參考文獻
[1] 飛航事故統計資料http://www.boeing.com/
news/techissues/pdf/statsum.pdf
[2] 亨利福特博物館 http://www.thehenryford.org/
museum/index.aspx
[3] FAA 航空法規 http://www.faa.gov/regulations_
p o l i c i e s/f a a_r e g u l a t i o n s/c o m m e r c i a l_
space/#regulations
[4] 民用飛機艙內裝飾與設備的適墜性研究, 上
海飛機設計研究所 張維方
[5] 航空座椅墊PMA認證測試介紹,工研院 機械
與系統所劉永隆
▼
圖5、座椅油槍測試 (取自http://www.aim-aviation.com)
車輛中心具備有多樣化分析檢測能量,可
以偕同座椅業者進行產品開發及改良,提
供商品效能測試等服務,相關技術資訊歡
迎洽詢:
車輛中心 碰撞實驗室 黃信裕 專員
電話:04-7811222 分機2119
E-mail:h.y.huang@artc.org.tw
▼ 表3、FAR 25.853(a)與FAR 25.853(c)之測試條件與性能要求
項目 12 秒垂直燃燒 油槍測試
規範FAR 25.853(a) & Appendix F
Part I
FAR 25.853(c) & Appendix F
Part II
樣本尺寸 2〞x 12〞x 1/2〞
座墊:18〞×20〞×4〞
背墊:18〞×25〞×2〞( 不包括
包覆外布重覆縫合的部份 )
樣本數 3 3 ( 座墊與背墊為 1 組 )
測試前靜
置條件
溫度 70 ℉±5 ℉
濕度 50% ±5% RH
至少 24 小時
溫度 70 ℉±5 ℉
濕度 50%±5% RH
至少 24 小時
性能要求
平均之燃燒長度不可超過 8〞
火焰移除後,平均燃燒時間不可
超過 15 秒
餘燼持續燃燒不可超過 5 秒
須有 2/3 以上的件數,其燃燒長
度不可超過 17〞
平均重量損失不可超過 10%
至少總測試件之 2/3 不可超過
10%之重量損失
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