冲击性过载实验设备

图1 冲击塔

1. 操作台 2. 滑车 3.钢丝绳 4. 钢塔架 5.吊钩及开钩装置 6. 导轨 7. 受试者 8. 台座9.锥形撞杆 10.塑料膜片 11. 锥形水穴 12.筒体 13. 水 14. 定径孔（可调） 15. 地面 （隔振基础）

冲击性过载实验设备是能严格按照实验要求谱线产生冲击力的生物动力学地面实验设备，供研究人体对冲击性过载的耐受限度、病理效应以及对减振装置和安全带等防护装备进行动态评价之用。脉冲式冲击 (shockimpulse)可分为“碰撞性”和“推动性”两种。“碰撞性冲击”指运动中的物体（或人体）同另一物体突然相碰撞时发生的冲击，有大的动量转移，可引起巨大的减速度或者使物体运动方向发生改变。“推动性冲击”指物体（或人体）所受到的迅猛推动力，可使物体获得加速度。冲击性过载实验设备有冲击塔、弹射塔（架）、滑轨车（火箭车）等。
冲击塔 冲击塔是能在严格控制条件下让落体（包括人体）与一定迎面物体的表面碰撞产生迅猛冲击（减速）过载的冲击实验设备。冲击塔一般由高十几米至三、四十米的直立钢塔架、台座（模拟落体）、制动装置 （模拟不同地面条件） 和控制记录系统组成。实验时，受试者连同座椅（或躺椅）按预定受力方向被固定于台座上，由塔架上方的吊具提升到所需高度，然后打开吊钩令其沿塔架上的两支平行精调导轨坠落，撞击在迎面物体表面上。通过可调节的制动装置，如活塞型水刹车，即可模拟坠落在不同地面条件时的减速过程。活塞型水刹车由固定在台座底面的一支锥形撞杆和固定在地面上而与撞杆紧密配合的充水筒体组成。物体落下时，撞杆猛冲入筒体，迫挤筒内的水经由筒壁上的定径孔排出，达到按预定要求耗散能量制动的作用，从而获得减速度-时间曲线一定的减速过载。撞杆的锥度和筒壁上定径孔的大小及其排列是可调的。如果撞杆、筒体和定径孔均保持一定，则坠落高度越高，其终速度及减速度的数值就越大，而冲击作用时间也即越短促。还可用附加的助推器加大终速，取得相当于增加塔身高度的效果。在设备性能范围内，冲击性减速度曲线形状取决于落体下坠高度、落体总重量、台座与导轨之间的摩擦力（通常可忽略不计）和水刹车（或其他缓冲装置）的制动性能。冲击实验数据以加（减）速度最大值(G)、增长率(G/s)和作用时间(ms)表示。就人体实验而言，冲击塔的性能指标应为：加（减）速度值可达15～60G，增长率可达500～3500G/s，作用时间可达30～150ms。

图2 大型弹射塔

冲击塔的塔身和水刹车筒体等安装固定在稳固的巨大混凝土基础上，基础周围应有良好的隔振措施。冲击塔本身必须有周密的连锁安全装置，用以防止操作失误；或在水刹车缺水，合座被吊升后意外自行脱钩等情况下坠落。台座底部亦可装置备份的缓冲装置，以保证在水刹车万一失灵时使冲击峰值不致超过4G。
弹射塔（架）
弹射塔 由一座与垂线作约17.5°夹角的钢制塔架(小型的塔身高6～7m，大型的高30～40m)、弹射座椅和操纵与安全保护系统组成，可用于研究人体对弹射过载的生理反应，进行飞行员弹射练习，以及测定弹射系统的动态特性等。弹射塔的冲击性过载是推动性的。实验时，位于塔身下部的座椅连同用安全带固定的受试者被弹射动力（弹射器或小冲量弹射火箭）快速推进沿塔身导轨上升，直至重力作用使其停止前进为止，此时即被导轨内方的单向卡块托住，然后开动降椅机构使其平稳下降复位。弹射触发机构应与卡块动作及其他安全装置连锁，以防操作失误。弹射速度（加速度）和增长率视药弹和火箭类型、弹射筒行程、受试者重量及气候条件等而定。弹射实验数据及受试者的生理反应信号用导线传输或遥测方式记录。按照人体实验需要，弹射塔最大加速度、增长率和作用时间一般分别为20～25G、250～350G/s及≤0.2～0.3s (参见“航空救生——力环境”)。
00火箭弹射架 火箭弹射架系在地面条件下模拟飞行中(包括起飞、着陆阶段)应急高速弹射跳伞全部过程的轻便实验设备。“00”指弹射前座椅的高度和速度两者都为零的状态。弹射架导轨长约2m，仰角与飞机上的弹射装置近似。实验时，座椅和受试对象（实验动物或假人）一起被弹射器推进，脱离导轨后弹射火箭立即开始工作，进一步将其推进到约120m的空中，按顺序试验人椅分离和开伞着陆过程。实验数据用遥测设备及自带记录器检测记录。
垂直加速架 直立塔架与冲击塔相似。实验时，受试者连同台座在塔架下部被弹射动力（如气动炮）推进快速上升，蒙受向上方向的推动性冲击过载，然后由液压制动装置将其截住停在导轨的预先指定位置。还应有其他安全装置，以防止弹射上升后出现意外自坠事故。这种实验设备的性能指标比弹射塔约高一倍。
滑轨车 滑轨车是利用强大推力将载着被试对象(人、假人或实验动物)的撬车沿水平钢轨快速推进，并适时平稳滑行停车或强力制动停车，使受试者蒙受巨大加（减）速度作用的实验设备，可用以模拟舰上弹射起飞、制动着陆、迫降着陆、碰撞、突然减速和气流吹袭等情况下的冲击性过载，进行生物动力学实验研究，以及安全带系统和有关设备的动态试验等。撬车加速运行阶段的冲击过载是推动性的，在强力制动停车时的过载则是碰撞性的。
滑轨车由轨道、撬车、推进器、制动停车装置和有关设备组成。轨道长度从数十米至10km以上不等。滑轨车场地应地质坚固，基础整体浇筑，轨道一般用重型钢轨连焊，并经预应力拉伸处理，使其在低温时有较大拉力，而在炎夏时拉力极小或接近零，以避免温度变化造成导轨的伸缩。轨道固定安装的稳固性、水平度和平直度要求很高，以保证撬车在高速运行时侧向和上下颠簸及摆动极小。有些短轨滑轨车，其基础和轨道安装水平带有小坡度(例如下坡5°)。
撬车的结构形式和性能视实验要求而定。有的将受试者座椅、夹具和挡板固定在撬车平台上，有的座位具有三个自由度，即撬车上设有三个万向框架，座椅位于最里框架上；三个框架各以10°分度任意就位固定，从而使受试者可以就X、Y、Z轴向按所所需姿势定位接受试验。撬车的重心应较低，并处于轨道中线，以便运行平稳。
中、小型滑轨车用气推动器（气动炮）或小火箭推进，长轨大型滑轨车用强大火箭推进。后者又称“火箭车”。
根据实验性质，滑轨车运行后可平稳滑行停车，或强力制动停车。平稳滑行停车可采用由安装在撬车上的戽斗迎击以脆弱薄板分隔的长水槽，或用凸轮控制的摩擦夹板夹住车座下的肋板的方法实现。有的小滑轨车采用由缆绳抓挽的方式停车。强力制动可用水平安装的活塞型水刹车实现，或使撬车前端的冲头直接撞击蜂窝棱形体或铅质锥体进行耗散能量制动。
滑轨车实验数据由安装在撬车和受试者身上的仪器直接检测记录，并可用遥测发射机发射到沿线的接收机；还可沿线分段架设高速摄影机，按程序自动高速摄取各阶段的影片。有的大滑轨车，在沿线装置多达1000门的自动通讯网路。
滑轨车的性能主要取决于所用撬车结构形式和动力及制动装置的能力等。冲击载荷参数视撬车速度、制动装置类型和受试者体位而定。人体实验用的滑轨车，一般最高G值不低于40～100G，增长率不低于1000～4000G/s，冲击作用时间不少于50ms，精度±5%。