比翱观察丨用机械超材料提高航空航天器的耐撞性，改变碰撞保护领域的游戏规则

随着新型航空航天器和现代运载交通工具的发明，我们如何在发生碰撞时保证乘员和货物的安全？

 
1917年，两架军用飞机在德克萨斯州上空进行训练时在空中相撞。其中一名飞行员是加拿大皇家飞行队的美国志愿者Hugh DeHaven。他活了下来，但双腿骨折并遭受严重的内伤，需要数月的康复。不知何故，另一名飞行员却安然无恙的离开了。DeHaven在康复过程中一直在思考为什么他会如此不幸，而另一名飞行员却安然无恙。他得出的结论是，他的安全带是造成身体伤害的原因— —与它应该做的恰恰相反：保护他的安全。DeHaven着迷于提高航空安全性，开始研究坠机事故受害者和幸存者，并就将成为耐撞性领域的内容进行实验。 什么是耐撞性？耐撞性是结构在撞击期间保护其乘员的能力。它是设计和材料的结合；试图减少重伤和死亡人数。回想一下您小时候可能做过的落蛋测试。如果您的鸡蛋完好无损，那么您就设计了一个防撞蛋架。确定耐撞性运载工具乘员舱的安全性，无论是在地面上还是在空中，都可以通过两种方式进行评估：前瞻性评估（通过计算机建模和实验）和回顾性评估（通过观察碰撞结果）。DeHaven意识到乘员舱结构或安全装置的任何改进都受到人体能够承受的力的限制，因此回顾性地研究了从50到150英尺的范围内从坠落中幸存下来的人（他不能很好地将人从高处摔下来，尽管他很乐意，并记录结果）¹。一个人的身体能从17层楼的坠落中安然无恙，这似乎很神奇，但它确实发生了。 

“人体解剖结构的强度及其对压力增加的承受能力，是任何通过工程努力提高安全系数的核心要素。”-Hugh DeHaven ²

DeHaven从这项研究和其他研究中吸取了教训，开始开发“包装”乘员舱的概念，以在发生碰撞时提高安全性。 换句话说，如何最好地设计纸箱以使鸡蛋不会破裂？DeHaven的四项包装设计原则1952年，他提出了他的四项包装设计原则³，所有这些原则都对耐撞性产生了影响。它们是：1.乘员舱不应破裂并使乘员溢出，并且不应在合理或预期的条件下倒塌。2.乘员舱不能由弱材料制成，应通过屈服和吸收冲击能量来保护内部。3.人们应该受到约束，以免撞到舱内。4.约束装置（例如安全带）应将碰撞力传递到人体最强壮的部位（即骨盆和胸腔）。作为他的研究成果，DeHaven致力于三点式安全带的设计，该安全带于1955年获得专利。毫无疑问，这项发明挽救了无数人的生命。肩部和膝部组合安全带专利 - 或三点式安全带现代耐撞性标准自从DeHaven在碰撞安全方面的开创性工作以来，美国的航空业标准— —包括通用航空安全小组的动态性能标准 — — 已经正式制定。此外，美国陆军有自己的飞机生存指南手册，美国联邦航空局和美国宇航局进行坠机动力学研究。在地面上，公路安全保险协会(IIHS)和美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)对汽车和卡车等地面运输车辆进行耐撞性研究。事实证明，耐撞性是车辆设计的一个非常重要的方面。这是一段视频，展示了由于安全性和材料工程的改进，当今的汽车有多安全：当今航空航天的耐撞性自从DeHaven在1952年形成他的四项包装设计原则以来，各个行业的耐撞性研究已经有了巨大的飞跃。但是，如何设计一种正在发明的新型交通运载工具呢？如果它的运行方式与今天的汽车和飞机不同，你如何使它耐撞？

城市空中机动车辆（UAMV）是一种新型的航空航天器。他们将能够短距离运送人和货物 ——想想城市空中出租车、医疗援助车辆，甚至是供个人使用的UAMV。

具有正面碰撞保护的概念UAMV 这些变革性的飞行模式正在开发中，大约有50个概念正在开发，所有概念都具有不同的设计，包括多旋翼、带有旋转马达的固定翼配置、倾斜翼飞行器，甚至带有折叠机翼的飞行器。汽车耐撞性得益于数十年的研究，确定了最常发生的碰撞的确切类型，并相应地设计了冲击吸收技术。然而，对于UAMV，我们不知道最有可能发生的碰撞场景是什么。那么，在未知的碰撞情况下，哪种材料技术最有用？用于UAMV保护的机械超材料Multiscale Systems对防撞材料的研究侧重于冲击吸收结构和系统，例如起落架、机身和座椅。这些组件协同工作以提供强度和冲击衰减，在碰撞过程中有效地减慢乘员的速度，以消除或减少伤害。根据与NASA的SBIR第一阶段和第二阶段合同，Multiscale Systems正在优化机械超材料的设计，以提高UAMV的耐撞性。既然已经存在冲击吸收产品，为什么还要开发新的材料技术？Multiscale Systems轻量化技术的一个关键特点是它可以从任何方向吸收能量。用于UAMV能量吸收的机械超材料旨在成为抗冲击泡沫和可压碎蜂窝之间的两全其美。所设计的超材料因其重量吸收了大量的冲击能量，并且在从任何方向受到撞击时都可以吸收，就像泡沫一样。但它们也不会涉及与吸收冲击的蜂窝相关的大峰值力— —并且它们可以部署在复杂的曲面周围。
 
超材料的另一个独特之处是它们的拉胀行为，这意味着在冲击下，它们不仅会向碰撞方向收缩，还会从侧面吸收材料。由于在撞击过程中聚集了更多的材料，超材料更有效地吸收了碰撞能量。虽然我们无法预测未来，但我们至少可以为它做计划。机械超材料将改变碰撞保护领域的游戏规则，取代目前不符合航空航天新时代更高的抗碰撞标准的解决方案。文献

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