The Evolution of Energy Absorption Systems for Crashworthy Helicopter Seats

Slide1The Evolution  Of  Energy Absorption  Systems  For Crashworthy  Helicopter Seats The  Evolution  Of  Energy Absorption  Systems  For Crashworthy  Helicopter Seats The  Fourth  Aircraft  Fire  and  Cabin  Safety  Conference The  Fourth  Aircraft  Fire  and  Cabin  Safety  Conference Lisbon,  Portugal Lisbon,  Portugal November  15-18,  2004 November  15-18,  2004 Originally  Presented  at  the Originally  Presented  at  the AHS  59 th   Annual  Forum  and  Technology  Display AHS  59 th   Annual  Forum  and  Technology  Display May  6  –  8,  2003 May  6  –  8,  2003 Phoenix,  Arizona Phoenix,  Arizona . . S. P. Desjardins Safe , Inc

Slide2OBJECTIVE AND  PURPOSE OBJECTIVE  AND  PURPOSE  Objective  –  Trace  Development  of  Energy Absorbing  Systems  –  Early  1960’s  to  Present.  Objective  –  Trace  Development  of  Energy Absorbing  Systems  –  Early  1960’s  to  Present.  Purpose  –  Assess  the  Current  State-of-the-Art, Identify  Any  Areas  of  Concern,  and Recommend  Future  Efforts.  Purpose  –  Assess  the  Current  State-of-the-Art, Identify  Any  Areas  of  Concern,  and Recommend  Future  Efforts.

Slide3APPROACHAPPROACH  Review  Review    Early  Work  and  Concepts    Early  Work  and  Concepts  Process  and  Rationale  That  Lead  to  the  Different Approaches  Process  and  Rationale  That  Lead  to  the  Different Approaches  Approaches  Used  by  the  Different  Suppliers  Approaches  Used  by  the  Different  Suppliers  Present  Present  Advanced  Concept  Advanced  Concept  Concerns  About  Current  Requirements  Concerns  About  Current  Requirements  Conclusions  Conclusions

Slide4NEED FOR  CRASHWORTHY SEATS NEED  FOR  CRASHWORTHY SEATS  Established  in  the  Late  1950’s  and  Early  1960’s by  AvCIR  Established  in  the  Late  1950’s  and  Early  1960’s by  AvCIR  Survivable  Crash  Environment  was  Determined  Survivable  Crash  Environment  was  Determined  Concluded  that  a  Properly  Restrained  Occupant Could  Survive  the  Resultant  Loading  in  the  X and  Y  Directions,  but  not  in  the  Z  Concluded  that  a  Properly  Restrained  Occupant Could  Survive  the  Resultant  Loading  in  the  X and  Y  Directions,  but  not  in  the  Z

Slide5NEED FOR  CRASHWORTHY SEATS,  Cont’d NEED  FOR  CRASHWORTHY SEATS,  Cont’d  Loading  in  the  Z  Direction  Exceeded  Human Tolerance  and  Needed  to  be  Limited  Loading  in  the  Z  Direction  Exceeded  Human Tolerance  and  Needed  to  be  Limited  Approach  –  Support  the  Occupant  in  a  Seat  that would  Stroke  when  the  Load  Reached  the Tolerance  Limit  (Limit  Load)  Approach  –  Support  the  Occupant  in  a  Seat  that would  Stroke  when  the  Load  Reached  the Tolerance  Limit  (Limit  Load)

Slide6DECELERATION –  TIME RELATIONSHIPS,  Z  DIRECTION DECELERATION  –  TIME RELATIONSHIPS,  Z  DIRECTION

Slide7DECELERATION –  TIME RELATIONSHIPS DECELERATION  –  TIME RELATIONSHIPS

Slide8IDEALIZED RELATIONSHIP IDEALIZED  RELATIONSHIP   Where:   Where:  S  =  stroke  or  deformation,  in.  S  =  stroke  or  deformation,  in.  G  =  gravitational  constant  (32.2  ft/sec 2   or  386.4  in.  /sec 2 )  G  =  gravitational  constant  (32.2  ft/sec 2   or  386.4  in.  /sec 2 )  t m   =   time  to  G m ,  sec.  t m   =   time  to  G m ,  sec.  G m   =  Maximum  deceleration,  G  G m   =  Maximum  deceleration,  G  G L   =  Limit-load  deceleration,  G  G L   =  Limit-load  deceleration,  G  k  =  constant  =  G L /G m  k  =  constant  =  G L /G m

Slide9SEAT STROKE  CALCULATION SEAT  STROKE  CALCULATION     As  an  example,  consider  a  triangular  pulse  representing a  change  in  velocity  of  42  ft/  per  sec.  with:     As  an  example,  consider  a  triangular  pulse  representing a  change  in  velocity  of  42  ft/  per  sec.  with:  G m  =  48  G  G m  =  48  G  T m   =  0.027  sec.  T m   =  0.027  sec.  G L   =  14.5  G  G L   =  14.5  G  k  =  14.5/48  =  0.30  k  =  14.5/48  =  0.30 Then  from  the  above  equation  : Then  from  the  above  equation  :     S  =  11.02  in.     S  =  11.02  in.

Slide10 AIRFRAME  STROKE CALCULATION   AIRFRAME  STROKE CALCULATION     Where:     Where:  S  =  Stroke  or  distance  traveled,  ft.  S  =  Stroke  or  distance  traveled,  ft.  V 0   =  Initial  velocity,  ft/sec.  V 0   =  Initial  velocity,  ft/sec.  V f  =  Final  velocity,  ft/sec.  V f  =  Final  velocity,  ft/sec.  g  =  32.2  ft/sec. 2  g  =  32.2  ft/sec. 2  G  =  Average  deceleration  of  airframe,  14.5  G  G  =  Average  deceleration  of  airframe,  14.5  G S  =  1.89  ft.  (or  22.67  in.) S  =  1.89  ft.  (or  22.67  in.)

Slide11CRASH LOAD  ATTENUATOR CONCEPTS CRASH  LOAD  ATTENUATOR CONCEPTS  Crushable  Column  Crushable  Column  Rolling  Torus  Rolling  Torus  Inversion  Tube  Inversion  Tube  Cutting  or  Slitting  Cutting  or  Slitting  Tube  and  Die  Tube  and  Die  Rolling/Flattening  a  Tube  Rolling/Flattening  a  Tube  Strap,  Rod,  or  Wire  Bender  Strap,  Rod,  or  Wire  Bender  Wire-Through-Platen  Wire-Through-Platen  Deformable  Links  Elongation  of  Tube,  Strap,  or Cable  Tube  Flaring  Housed  Coiled  Cable  Bar-Through-Die  Hydraulic  Pneumatic

Slide12FIXED LOAD  ENERGY ABSORBERS  (FLEA) FIXED  LOAD  ENERGY ABSORBERS  (FLEA)

Slide13DYNAMIC OVERSHOOT DYNAMIC  OVERSHOOT

Slide14FIXED LOAD  DESIGN  CRITERIA FIXED  LOAD  DESIGN  CRITERIA  Human  tolerance  is  a  function  of  time-under- load.  Human  tolerance  is  a  function  of  time-under- load.  It  was  determined  through  analysis  and  test  that to  retain  a  tolerable  time-under-load environment,  the  limit  load,  L L ,  should  be  set  at 14.5  G.  It  was  determined  through  analysis  and  test  that to  retain  a  tolerable  time-under-load environment,  the  limit  load,  L L ,  should  be  set  at 14.5  G.

Slide15UH-60 BLACK  HAWK  ARMORED CREWSEAT,  INVERSION  TUBE E/A UH-60  BLACK  HAWK  ARMORED CREWSEAT,  INVERSION  TUBE E/A

Slide16EH101 FOLDABLE  TROOP SEAT,  WIRE  BENDER  E/A EH101  FOLDABLE  TROOP SEAT,  WIRE  BENDER  E/A

Slide17BELL 230/430  PILOT  SEAT, CRUSHABLE  COMPOSITE COLUMN  E/A BELL  230/430  PILOT  SEAT, CRUSHABLE  COMPOSITE COLUMN  E/A

Slide18FRENCH/GERMAN TIGER ARMORED  CREWSEAT,  METAL CUTTER  E/A FRENCH/GERMAN  TIGER ARMORED  CREWSEAT,  METAL CUTTER  E/A

Slide19A129 ITALIAN  ARMORED CREWSEAT,  TUBE  AND  DIE  E/A A129  ITALIAN  ARMORED CREWSEAT,  TUBE  AND  DIE  E/A

Slide20BELL 230/305  MEDICAL ATTENDANT  SEAT,STRAP BENDER  E/A BELL  230/305  MEDICAL ATTENDANT  SEAT,STRAP BENDER  E/A

Slide21V-22 OSPREY  TROOP  SEAT, TUBE  AND  DIE  E/A V-22  OSPREY  TROOP  SEAT, TUBE  AND  DIE  E/A

Slide22VARIABLE LOAD  ENERGY ABSORBERS VARIABLE  LOAD  ENERGY ABSORBERS  Fixed  Load  System  is  Designed  for  the  50 th   Percentile Occupant  Fixed  Load  System  is  Designed  for  the  50 th   Percentile Occupant  Effective  Weight  of  the  Lightly  Clad  50 th   Percentile Occupant  is  142.3  lb  Effective  Weight  of  the  Lightly  Clad  50 th   Percentile Occupant  is  142.3  lb  Assuming  a  60-lb  Movable  Seat  Weight,  the  Limit Load,L L ,  the  Load  at  Which  the  Seat  is  Designed  to Stroke  is:  Assuming  a  60-lb  Movable  Seat  Weight,  the  Limit Load,L L ,  the  Load  at  Which  the  Seat  is  Designed  to Stroke  is:      L L   =  G L  W teff   =  (14.5)  (202.3)  =  2,933  lb      L L   =  G L  W teff   =  (14.5)  (202.3)  =  2,933  lb

Slide23VARIABLE LOAD  ENERGY ABSORBERS,  Cont’d VARIABLE  LOAD  ENERGY ABSORBERS,  Cont’d  Assuming  the  Same  60  lb  Movable  Seat  Weight,  the Total  Effective  Weight  Range  that  the  Load  Limiting System  Must  Decelerate  are:  Assuming  the  Same  60  lb  Movable  Seat  Weight,  the Total  Effective  Weight  Range  that  the  Load  Limiting System  Must  Decelerate  are:  5 th -  percentile:  172.6  lb  5 th -  percentile:  172.6  lb  95 th  -percentile:  235.2  lb  95 th  -percentile:  235.2  lb  With  a  Fixed  Load  Energy  Absorber,  the  Resultant Load  Factors  for  the  95th  -  and  5th  -  Percentile Aviators  are  then:  With  a  Fixed  Load  Energy  Absorber,  the  Resultant Load  Factors  for  the  95th  -  and  5th  -  Percentile Aviators  are  then:  G L 95 th -  =  2,933/235.2  =  12.6  G  G L 95 th -  =  2,933/235.2  =  12.6  G  G L 5 th   =  2,933/172.6  =  17.0  G  G L 5 th   =  2,933/172.6  =  17.0  G

Slide24VARIABLE LOAD  E/A ADJUSTMENT  RANGE VARIABLE  LOAD  E/A ADJUSTMENT  RANGE

Slide25V-22 OSPREY  ARMORED CREWSEAT,  WIRE  BENDER VLEA V-22  OSPREY  ARMORED CREWSEAT,  WIRE  BENDER VLEA

Slide26UH-1Y ARMORED  CREWSEAT, INVERSION  TUBE  VLEA UH-1Y  ARMORED  CREWSEAT, INVERSION  TUBE  VLEA

Slide27FIXED PROFILE  ENERGY ABSORBERS  (FPEA) FIXED  PROFILE  ENERGY ABSORBERS  (FPEA)

Slide28BELL 230/260  PILOT  SEAT, STRAP  BENDER,  FPEA BELL  230/260  PILOT  SEAT, STRAP  BENDER,  FPEA

Slide29LOAD-STROKE PROFILE  VS CONSTANT  LOAD,  MILITARY REQUIREMENTS LOAD-STROKE  PROFILE  VS CONSTANT  LOAD,  MILITARY REQUIREMENTS

Slide30UH-1Y TROOP  SEAT,  WIRE BENDER,  FPEA UH-1Y  TROOP  SEAT,  WIRE BENDER,  FPEA

Slide31ADVANCED SYSTEMS ADVANCED  SYSTEMS OBJECTIVES OBJECTIVES  To  Combine  the  Advantages  of  the  Fixed Profile  (FPEA)  with  those  of  the  Variable  Load (VLEA)  to  Produce  the  Variable  Profile  Energy Absorber  (VPEA)  To  Combine  the  Advantages  of  the  Fixed Profile  (FPEA)  with  those  of  the  Variable  Load (VLEA)  to  Produce  the  Variable  Profile  Energy Absorber  (VPEA)  To  Automatically  Adjust  the  Load  Level  of  the Profile  to  Eliminate  the  Possibility  of  Human Error  in  Selecting  the  Load  To  Automatically  Adjust  the  Load  Level  of  the Profile  to  Eliminate  the  Possibility  of  Human Error  in  Selecting  the  Load

Slide32OBJECTIVES, Cont’d OBJECTIVES,  Cont’d  To  Provide  all  occupants  With  Comparable Protection  Regardless  of  Weight,  5 th   Percentile Female  to  95 th   Percentile  Male  To  Provide  all  occupants  With  Comparable Protection  Regardless  of  Weight,  5 th   Percentile Female  to  95 th   Percentile  Male

Slide33CONCLUSIONSCONCLUSIONS  The  Following  Concepts  Suggested  in  the  Late1960’s and  Early  1970’s  for  Use  in  Energy  Absorbing Crashworthy  Seats  Have  Been  Developed, Incorporated  into  Seats  and  Are  Now  in  Common  Use Around  the  World:  The  Following  Concepts  Suggested  in  the  Late1960’s and  Early  1970’s  for  Use  in  Energy  Absorbing Crashworthy  Seats  Have  Been  Developed, Incorporated  into  Seats  and  Are  Now  in  Common  Use Around  the  World:  Inversion  Tube  Inversion  Tube  Wire  Bender  Wire  Bender  Strap  Bender  Strap  Bender  Metal  Cutter  Metal  Cutter  Tube  and  Die  Tube  and  Die

Slide34CONCLUSIONS, Cont’d CONCLUSIONS,  Cont’d  The  Evolutionary  Process  Has  Produced:  The  Evolutionary  Process  Has  Produced:  Fixed  Load  Energy  Absorbers  (FLEA)  Fixed  Load  Energy  Absorbers  (FLEA)  Variable  Load  Energy  Absorbers  (VLEA)  Variable  Load  Energy  Absorbers  (VLEA)  Fixed  Profile  Energy  Absorbers  (FPEA)  Fixed  Profile  Energy  Absorbers  (FPEA)  Variable  Profile  Energy  Absorbers  (VPEA)  Variable  Profile  Energy  Absorbers  (VPEA)  An  Advanced  Energy  Absorber  Concept  (AEA)  An  Advanced  Energy  Absorber  Concept  (AEA)  Equipped  Seats  Have  Performed  Well  in  Helicopter Crashes.  Equipped  Seats  Have  Performed  Well  in  Helicopter Crashes.

Slide35CONCLUSIONS, Cont’d CONCLUSIONS,  Cont’d  A  problem  Likely  Exists  With  Certification Requirements  for  Civil  Seats.  A  problem  Likely  Exists  With  Certification Requirements  for  Civil  Seats.  Efforts  to  Improve  Efficiency  Have  Lead  to  Use  of  Fixed Profile  Energy  Absorbers.  Efforts  to  Improve  Efficiency  Have  Lead  to  Use  of  Fixed Profile  Energy  Absorbers.  Performance  is  Sensitive  to  Occupant  Weight  and  Response Characteristics.  Performance  is  Sensitive  to  Occupant  Weight  and  Response Characteristics.  Civil  Certification  Requires  Testing  With  Only  One  Size  of Dummy,  the  50 th   Percentile.  Civil  Certification  Requires  Testing  With  Only  One  Size  of Dummy,  the  50 th   Percentile.  This  Process  Can  Result  in  a  Seat  Tuned  to  the Characteristics  of  a  Specific  50 th   Percentile  Dummy  with disregard  for  its  Performance  with  all  Occupants  of  Different Sizes  or  Response  Characteristics.  This  Process  Can  Result  in  a  Seat  Tuned  to  the Characteristics  of  a  Specific  50 th   Percentile  Dummy  with disregard  for  its  Performance  with  all  Occupants  of  Different Sizes  or  Response  Characteristics.

Slide36COMPARISON OF  FIXED PROFILE  SHAPES COMPARISON  OF  FIXED PROFILE  SHAPES

Slide37CONCLUSIONS, Cont’d CONCLUSIONS,  Cont’d  Since  Systems  are  Now  Being  Developed  That Take  Advantage  of  the  Unique  Response Characteristics  of  the  Test  Dummy,  Since  Systems  are  Now  Being  Developed  That Take  Advantage  of  the  Unique  Response Characteristics  of  the  Test  Dummy,  All  Development  and  Certification  Testing  Should Include  a  Range  of  Dummy  Sizes  Representative  of the  Entire  Spectrum  Of  Occupant  Weights Expected  to  Use  the  Seat.  All  Development  and  Certification  Testing  Should Include  a  Range  of  Dummy  Sizes  Representative  of the  Entire  Spectrum  Of  Occupant  Weights Expected  to  Use  the  Seat.  Dummies  Should  be  Developed  and  Used  that  More Accurately  Simulate  the  Human  Response  to  Rapid Loading  in  the  Z  Direction.  Dummies  Should  be  Developed  and  Used  that  More Accurately  Simulate  the  Human  Response  to  Rapid Loading  in  the  Z  Direction.