Жертвы краш-тестов: добровольцы, животные, кадавры
Технология изготовления официального манекена для сертификационных краш-тестов Hybrid III не составляет секрета и в целом довольно проста. Теоретически каждый желающий может основать собственное дело и начать клепать эти человекообразные измерительные инструменты. Для того чтобы получить всю нужную информацию, достаточно обратиться в головной офис Национальной администрации по безопасности дорожного движения NHTSA или в европейское агентство EuroNCAP. Документация открыта для публики и включает в себя подробные чертежи, описание на 16 листах, требования по инструментальному оснащению и перечень всех необходимых материалов. Вы удивитесь, но технология производства манекенов за последние 30 лет практически не изменилась. В Америке, например, она жестко регламентируется федеральным стандартом безопасности № 208 от 1972 года. Такая инертность обусловлена не косностью чиновников, а здравым смыслом. Слишком частое изменение стандартов внесло бы хаос в методику оценки уровня безопасности автомобилей. Поэтому, несмотря на незначительные отличия в процедуре проведения краш-тестов в Европе, Америке и Японии, государственные регулирующие органы большинства стран используют одни и те же манекены серии Hybrid III.
Вплоть до 1990-х в автоиндустрии и аэрокосмической промышленности использовались подопытные животные. Шимпанзе, свиньи, собаки и даже медведи — вот кому обязаны жизнью многие из тех, кто выжил в автокатастрофах. Самыми многочисленными испытателями были свиньи. Перед тестами им вводили общий наркоз, а в случае получения тяжелых увечий незамедлительно усыпляли. Справедливости ради надо сказать, что, как и в случае с кадаврами, тесты с участием животных давали ученым лишь поверхностную информацию о возможном ущербе человеческому здоровью.
Но несмотря на доступность технологии, в настоящее время только две компании в мире имеют необходимые сертификаты ISO серий 9001, 14001 и 17025, необходимые для производства манекенов для официальных краш-тестов. Это американские Denton ATD и First Тechnology Safety System. Сделать единичный манекен можно в любой мастерской, но производство тысяч абсолютно одинаковых, тщательно откалиброванных суррогатов человеческого тела по силам немногим. Справедливости ради надо сказать, что на самом деле манекены делают десятки компаний и лабораторий по всему миру, но все они предназначены для рабочего тестирования на полигонах автокомпаний. Для официальной сертификации моделей используется продукция Denton и FTSS.
Компания Denton, основанная в 1969 году Робертом Дентоном, собирает манекены в глухой американской провинции на родине знаменитого Томаса Эдисона в городишке Милан, штат Огайо. Здесь, среди необъятных кукурузных полей 170 служащих компании производят от 20 до 25 манекенов в месяц. Причем это не только официальные Hybrid III, но и еще 40 различных типов манекенов для автоиндустрии, аэрокосмической промышленности, военных лабораторий и учебных заведений. Забавно, что четыре десятка лет тому назад Denton ATD целиком размещалась на кухне дома Роберта Дентона, президента и единственного штатного служащего компании.
Дентон в одиночку разрабатывал и затем мастерил на кухонном столе измерительные приборы — акселерометры и потенциометры, которые продавал техническим подразделениям General Motors, Ford, Chrysler и даже за границу. Термообработка основных элементов этих приборов и готовка обедов для семейства проходили одновременно на единственной газовой плите с духовкой. Позднее энергичный Дентон расширил бизнес и стал первым в мире сертифицированным производителем манекенов для NHTSA.
Без права на ошибку
Сырьем для будущих бесстрашных борцов за наши с вами жизни и здоровье служат сталь, алюминиевые сплавы, резиновый компаунд из смеси натурального каучука, неопрена и полиакрила и винил, из которого делают кожу и мягкие ткани Hybrid III. Манекен Hybrid III состоит из 350 металлических и пластиковых частей. Все они производятся вручную тут же, в Милане. Вес мужского сидячего Hybrid III составляет 78 кг, а рост, если бы он смог выпрямиться, 175 см. У него есть симпатичная жена средних лет, стокилограммовый брат-толстяк и трое детей десяти, шести и трех лет от роду.
Рождение антропоморфного измерительного прибора, как еще называют манекены, начинается с изготовления тускло-оранжевой виниловой кожи. Чтобы сделать, к примеру, кожный покров стопы, рабочий заливает горячий винил в алюминиевую форму. Далее в форму вставляется внутренняя часть, а излишки винила выдавливаются обратно. Затем заготовка запекается в печи и проходит внешнюю финишную обработку. Точно так же делается кожа для остальных частей тела Hybrid III. Мягкие ткани изготавливают из вспененного винила. Традиционно гибриды имеют грязновато-оранжевый или желтый цвет. Такая окраска выглядит наиболее контрастно при скоростной видеосъемке краш-теста.
Первые попытки серьезного подхода к изучению вопросов безопасности автомобилей были предприняты учеными детройтского Университета Уэйн середине 30-х годов ХХ века после окончания Великой Депрессии. Биомеханика тогда находилась еще в зачаточном состоянии и никаких инструментов измерения силы воздействия деформации кузова на человека при столкновениях и методик оценки не существовало. Первыми объектами примитивных испытаний стали человеческие трупы, или кадавры, из университетского морга. Поначалу ученые пытались выяснить предельные возможности костей скелета. Например, для определения прочности черепа набальзамированные, обряженные в гимнастическое трико, кадавры сбрасывались вниз головой с различной высоты на стальные плиты. Результаты тестов удивили исследователей – целостность черепной коробки сохранялась при силе удара в полторы тонны! Прочность грудной клетки определялась при падении стальной болванки на грудь. Другие виды испытаний также не отличались сложностью. Работа с кадаврами порождала массу проблем, главными из которых стали этические и чисто исследовательские. Если первые вполне очевидны, то проблемы научного характера заключались в отсутствии объективности тестов. Большинство объектов, доступных ученым, были прахом людей старшего возраста с ослабленной костной тканью и различными возрастными изменениями внутренних органов. Помимо этого, кадавры было невозможно использовать многократно. Тем не менее, исследования с их применением продолжались почти семьдесят лет, достигнув пика в 50-е годы. По оценке известного физиолога и специалиста по медицине катастроф Альберта Кинга, научные данные, полученные благодаря тестам с кадаврами, спасают до 8500 человеческих жизней в год только в Америке. Каждый использованный в краш-тестах человеческий труп ежегодно дарит жизнь 61 человеку, выжившему в авариях благодаря пристегнутым ремням безопасности. Еще 150 человек спасает телескопическая рулевая колонка, первыми испытателями которой были кадавры.
В другой части завода группа рабочих делает стальные и алюминиевые элементы скелета. Большей частью эта работа производится на компьютеризированных станках, которые с высочайшей точностью воспроизводят из заготовок кости и части суставов манекена. Ребра делаются вручную из полос специальной стали. Далее детали соединяются с помощью сварки, заклепок и винтов. Конструктивно наиболее сложна шея манекена. Эластичные элементы шеи — аналоги межпозвоночных дисков — выпрессовываются из резинового компаунда. Стальные кольца имитируют отдельные позвонки. Благодаря упругости компаунда, точно соответствующей натуральной, готовая конструкция очень близка по биомеханике человеческой шее. Готовые элементы манекена укладывают на стальные стеллажи и по необходимости доставляют на участок сборки.
Сборка начинается только после тщательной проверки качества деталей — взвешивания на электронных весах, измерения геометрии, определения расположения центра тяжести каждого элемента. Все эти показатели должны в точности соответствовать стандартным значениям. Любое отклонение от эталона считается браком, и некондиционные детали пускают на вторичную переработку. Но для Denton это крайне редкое явление. Единственный инструмент сборщика, работающего за обычным деревянным верстаком, — крестовая отвертка.
Святая святых завода в Милане — участок по изготовлению измерительной аппаратуры. В большом зале полдюжины станков штампуют корпуса датчиков из стали и алюминия всевозможных форм и размеров. Датчик давления бедренной кости, к примеру, представляет собой тонкостенный стальной цилиндр, внутри которого находится тоненькая зигзагообразная пружинка из титанового сплава. Это главный элемент датчика, его нерв. Пружинка припаяна к центрам донных частей корпуса и при внешнем воздействии деформируется. Свойство сплава изменять электрическое сопротивление при растягивании или сжатии позволяет измерять силу воздействия. Когда в одном корпусе располагаются несколько таких пружинок, датчик способен измерять момент силы.
В 2006 году ведущие автокомпании мира объединились в консорциум Global Human Body Models Consortium для разработки компьютерной модели человеческого тела. Новый виртуальный манекен получил рабочее название Human Body Model. Его «тело» будет иметь не только основные суставы и органы, как у обычных манекенов, но и скрупулезно детализированные кости, мягкие ткани и все внутренние органы, включая мозг и нервную систему. Итогом работы шести рабочих групп должно стать создание четырех виртуальных человеческих тел – двух мужских и двух женских. После этого работа будет продолжена и виртуальное семейство пополнится детьми разного возраста, а также их дедушками и бабушками. Эксперты General Motors предлагают оснащать все новые автомобили «черным ящиком» и датчиками, которые будут фиксировать все изменения физических факторов во время реальных автокатастроф. По мнению специалиста по биомеханике Харолда Мерца, обычные дороги при этом станут самыми совершенными лабораториями, а огромный массив данных позволит последовательно устранять прорехи в конструкции автомобилей. Тем не менее, новые методики не смогут полностью заменить проведение реальных краш-тестов и использование манекенов. По мнению вице-президента компании Denton ATD Рэнди Келли, сами манекены все еще обладают огромным потенциалом совершенствования. Инженеры Denton уже сейчас предлагают новый торс для классического манекена Hybrid III под названием RibEye, созданный в кооперации с компанией Boxboro Systems. Он предназначен для детальной фиксации деформации грудной клетки во время столкновений. Каждое из 12 стальных ребер RibEye оснащено светодиодом и двумя фотосенсорами, расположенными на внутренней части позвоночного столба. Сенсоры улавливают малейшие изменения положения контрольных точек ребер и позволяют оценить степень опасности воздействия для здоровья человека. Другая разработка Denton – модифицированная голова для манекена Hybrid III под названием Focus. Силиконовые глазные яблоки Focus и основные кости черепа оснащены датчиками, которые с высочайшей точностью измеряют величину внешнего механического давления.
Металлические элементы датчиков поступают в заводскую лабораторию, где трудятся 14 девушек, терпеливо и предельно аккуратно припаивающих чувствительные пружинки к корпусам датчиков. Эта работа требует чрезвычайной точности и поэтому производится с помощью оптических микроскопов и микропинцетов. Как и все остальные манекены, Hybrid III оснащают двумя видами датчиков — потенциометрами, измеряющими силу механического воздействия, и акселерометрами, измеряющими ускорение. Для того чтобы измерить ускорение головы манекена при столкновении, строго в центре масс алюминиевой черепной коробки устанавливают три одноосных акселерометра. Давление на грудную клетку измеряют при помощи потенциометра, находящегося за грудиной, Установку готовых и откалиброванных акселерометров и потенциометров в корпус Hybrid III делают позднее в мастерской головного офиса Denton ATD в Детройте.