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战斗机的弹射座椅有什么相应的保护装置?

作者: 时间: 2015-10-12

早期确实有人担心在超音速下弹射飞行员将没有幸存的可能。但在做了一些动物实验以后(用了黑猩猩和呃……熊),发现超音速弹射还是可行。其实很多情况下就是刚刚进入超音速的时候,大多数弹射座椅都可以应付得了。因此较好些的弹射座椅地面测试装置,都可以加速到音速以上。比如说美国的MASE,可以加速到1400km/h

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早期弹射座椅的动力来源可分为两类,一是储气瓶的压缩空气、二是火药燃气。将高压空气注入弹射座椅的汽缸与活塞,使弹射座椅受作用力脱离飞机的做法在技术上较为简易,但随着空速的增加就需更大、更重的储气瓶、活塞与汽缸才能以产生足够推动力把座椅推理飞机,这会影响飞机的性能,而且压缩空气弹射方式对维修和整备时间都不利。另一被称为弹射枪(catapult gun)的设计能以较小体积和重量提供足够的弹射力量,弹射枪的结构类似于单筒望远镜(telescope),平时内筒缩入外筒并以机械装置锁定,当弹射指令下达时,固定装置解锁,两筒间的起爆装药即被引爆,产生高压气体将内筒伸出,内外筒的功能如同活塞与汽缸,并兼具导轨作用,使弹射座椅沿导轨方向离开战斗机。使用弹射枪的弹射座椅飞离战斗机的速度能达到15米/秒。

单弹射枪配置的弹射座椅

  因空气阻力与速度平方成正比,随着战斗机空速日益增加,飞行员弹射后可能会被强大的气流吹向垂直尾翼。此外在地面或起降过程中弹射因速度与高度不足以提供足够的开伞时间,也需要增加弹射弹道高度,在不超过人体负荷极限的限制下,占用空间小、反应时间快、推重比大的火箭推进系统即被引入弹射座椅设计中。飞行员的生理负荷极限会限制战斗机机动特性的发挥,更会限制弹射速度。倚靠火箭把人员从座舱中弹射出去并非难事,但弹射中所产生的加速度会对人体特别是脊椎造成伤害。脊椎是由块状脊椎骨迭成,中间有髓核(spinal cord)通过,脊椎骨之间则以盘状软骨(disc)相连接。弹射时会产生向上的作用力,脊椎承受的加速度由盘状软骨外缘、具弹性的椎间盘纤维环(annulus fibrosus)吸收。为了在最短时间内获得最大速度来实现较高的弹射弹道,通常弹射产生的加速度约为12~20G间,如果最大加速度超过25G或每秒加速度增加幅度超过300G就会对脊椎造成伤害,尤其是胸廓和腰椎部分。如于弹射过程中飞行员前倾,脊椎受到挤压则易导致压迫性骨折,临床上可通过X光片发现脊椎骨由正常的长方形块状外形变为楔形甚至形成粉碎性骨折,导致人员需进行手术与长时间复健方能康复。因此,飞行员姿态的保持是避免受到弹射伤害的关键,更完整的设计则是在启动弹射手柄后,传送信号至弹射座椅背的惯性绞盘(inertial reel),在弹射枪作用前先将肩带(部分设计尚包括腿带、腰带)后缩,使人员确实固定于椅背上,避免弹射过程时因人员姿势不良、脊椎受力不当而受伤。

脊椎结构,紫色的就是椎间盘纤维环

双弹射枪和双火箭助推器配置的弹射座椅

单弹射枪和减速火箭配置的弹射座椅

带腿部束缚机构的马丁贝克H7弹射座椅

因上述脊椎的特性,使得利用火箭为弹射动力并不能一味增加推力。目前多数弹射座椅都保留了弹射枪,将弹射动力分为两个阶段,先利用弹射枪将弹射座椅与驾驶舱底板分离,再将弹射座椅推升至导轨末端(约需0.2~0.35秒,加速度不超过15G),等座椅到达导轨末端后,再启动火箭进一步加速弹射座椅。两段式弹射动力可以较小加速度增加值获得较高的弹射弹道,即使在高下沉率的飞行状态下弹射,也能确保获得足够的开伞高度。一般来说,零高度零速度弹射(即所谓零-零弹射)座椅能在地面静止状态下弹射至107米高度。

苏-35Ub战斗机进行零零弹射

  火箭推进系统所能产生的加速度受到温度、人椅总重量、空速、高度与弹射姿态等因素的影响,现有技术使飞行员零-零弹射获得足够的开伞高度已非难事。理论上体重较重的人在一定弹射推力下承受的加速度较小,对身体的伤害应较轻微,然而实际经验却发现,一般体重较重的人身体外型也比较大,即使受弹射座椅束带限制,其突出于弹射座椅外的肢体面积(特别是脚部)也较大,在高速的下这些突出的四肢就如同气动力作用面一般,可能在人椅分离时造成不可预期的翻滚而造成伤亡。所以弹射座椅在设计阶段就应确保能符合90%体形以安全使用。

目前弹射座椅在发展中已渐渐融入许多复杂的子系统,如人椅分离、可变开伞行程与气动稳定装置等,以扩展弹射包线、增加逃生成功率。一般来说弹射座椅所具备的主要组件如图所示,要了解弹射系统的设计特性,需要分析弹射程序的相关步骤,才能了解其演进过程和设计理念。

  1. 弹射指令下达

  由于弹射时机的选择并非仅单纯考虑战斗机状况,还需考虑地点、敌情等因素,因此除部分实验机和垂直起降战斗机安装了自动弹射系统外,其余都由飞行员自行决定弹射时机。弹射指令的下达是由启动弹射手柄开始,弹射手柄多装于腿部附近,曾有部分弹射座椅把弹射手柄设计于头靠(headrest)上方,弹射时,人员为将手柄拉下必须挺直背部、缩回手臂,可确保保持正确坐姿,避免受伤。有些甚至将手柄与面罩(face curtain)连动,启动弹射手柄时顺势拉下面罩,避免破碎的座舱盖碎片及高速气流伤害脸部的,但在超过6至8G以上过载弹射时,飞行员无法将手臂抬到头部上方启动弹射手柄,所以现在的弹射座椅一般都把手柄置于两腿中央(侧杆(side-stick)设计的战斗机则把手柄置于右腿外侧),以缩短下达弹射命令时间。

结合了防护面罩的弹射手柄

拉下面罩也就是启动了弹射程序

大多数弹射座椅弹射手柄的安装位置

  对多座机型而言,控制弹射(command eject)可确保飞行员无法下达弹射指令时,由同机的其它乘员代为启动。以F-4战斗机弹射指令为例,可分为三种模式:

  一、双座弹射,由前座启动。

  二、双座弹射,由后座启动。

 三、后座单独弹射。

2. 座舱盖脱离

  座椅弹射时在弹射弹道(trajectory)上最先遇到的障碍物是座舱盖,所以在弹射前就要抛掉座舱盖。早期飞行员可以人力推开座舱盖,利用气流把座舱盖吹离,但随着空速的增加,座舱盖因承受外部气动力作用而无法手动抛离。另一种以气瓶储存的压缩空气作为抛掉座舱盖的动力,部分实验机曾使用过这种设计,但在高速机上座舱盖要承受更大的气动力,为了成功抛掉座舱盖就必须采用更大更重的储气瓶,必然影响飞机性能,所以引入了用火药燃气抛离座舱盖的设计。F-22为使抛盖时间更短,在座舱盖前缘安装了小型火箭,利用火箭抛离座舱盖,大幅缩短抛盖时间,并且还能利用火箭控制座舱盖抛离的轨迹与方向,避免与飞行员发生意外碰撞。

F-16先抛盖后弹射

F-22为使抛盖时间更短,在座舱盖前缘安装了小型火箭

  某些时候抛盖仅为紧急处置座舱冒烟这类突发事件,并不是为了弃机逃生,所以除应在最短时间内抛盖外,还要尽量避免座舱盖脱离后碰撞机身,导致重大事故。

  对多座和垂直起降飞机而言,抛盖就更为困难了,前者如果抛盖轨迹不良将会对其他弹射的机组人员造成伤害,后者因弹射时机多发生在低空、高下沉率条件下,没有足够时间抛盖。此时可以单独或综合应用下列两种解决方案:一是利用安装在弹射座椅头靠上方的冲角击破座舱盖直接弹射,但现代战斗机在设计时都要求座舱盖能抗鸟撞,所以座舱盖较为厚实,不易穿透,单纯使用该方案可能造成人员受伤。二是在座舱盖玻璃内侧粘上微型爆炸索,爆炸索外铺设弹性胶条以减少向座舱散射的爆炸微粒、控制爆炸方向并降低噪音。弹射时微型爆破索先引爆,将有机玻璃炸成碎片后飞行员再弹射,此时飞行员穿过碎片区时可能会被割伤,不过气流会吹离碎片,再加上头盔、面罩等护具的保护,这种风险被降至最低。


F-35采用了穿盖弹射方式,可以看到贴在内侧的爆破索

爆破后就整齐把玻璃切成两大块,最大限度降低了碎片的数量

3. 弹射座椅的动作

  战斗机的座舱空军都有限,在飞行员弹射脱离座舱时如未保持正确姿态,肢体就可能装上座舱内结构物而受伤,所以除要求飞行员在弹射前保持正确坐姿外,现在的弹射座椅在启动前也会用惯性绞盘把人员固定在正确位置。座椅离开弹射导轨前还需要完成飞行员与座舱脱离连接(如通讯线、氧气管等)、弹射座椅上紧急氧气系统开始供氧、降落伞释放动作器处于待发位置等相关程序。

  多座飞机弹射时,由于都集中在很短时间内弹射,所以飞行员可能会撞上空中乱飞的物体或其它弹射座椅。为避免这种情况的发生,多座飞机会设置弹射间隔时间并采用不同的弹射弹道。利用弹射火箭喷管的折流片产生侧向推力,可以产生偏离垂直平面3~4米的弹射弹道,即使是并列双座布局(side-mounted)的飞机也避免飞行员在空中发生碰撞,再配合弹射火箭启动时间间隔,可更进一步避免意外的发生。

4座S-3反潜机的弹射试验,先弹后座,再弹前座2,而且弹射弹道分别偏向一侧

  为获得良好的弹射弹道,弹射时人椅的重心位置应与推力轴线保持住一定范围之内,如重心过于靠前,易造成弹射轨迹前倾,影响开伞动作。如重心过于偏后,易造成弹射座椅翻滚,影响人椅分离。

  理想的弹射时机在水平飞行姿态,但由于战斗机机动性能的日益提升,弹射不可能都在理想状态下进行,在战斗机处于滚转姿态,甚至倒飞姿态弹射时,有效开伞高度和开伞姿态都将受到影响,特别是在低空弹射将造成无法挽回的遗憾。使用稳定导伞(stabilizer drogue)与陀螺控制(gyro-controlled)弹射火箭推力矢量喷管可防止弹射座椅倾斜,并能修正座椅姿态。在低速弹射时因气动力较小,适宜采用推力矢量控制姿态,在高速时则可利用气动力控制,以稳定导伞进行对姿态调整,弹射座椅的微处理器执行相关控制程序。俄制系统倾向在弹射从机载陀螺仪获得姿态信息,弹射座椅本身不另增陀螺仪,西方则大多在弹射座椅上安装陀螺仪进行姿态监控,设计理念不同但逃生成功率大体差不多。目前的技术水准已能做到距地面60米时,即使座舱朝向地面仍可确保弹射座椅离开战斗机后,凭借推力矢量把弹射座椅由下坠姿态转向上升姿态并获得足够的开伞高度,确保人员安全逃生。

70年代,美国海军测试的VSS弹射座椅,在倒置弹射后能迅速扭转姿态爬升

  低空高速弹射是最困难的,较大的空气密度使气流效应更为强烈,飞行员在弹射时即被吹向机尾方向,因此除了要以最快的弹射速度避开垂尾外,还要缩短主伞的开伞延迟时间,也应延长火箭助推器的燃烧时间以争取足够的高度让弹射座椅减速并启动子系统。

  在空速从超过400节(740千米/时)的高速减速至开伞速度时,飞行员需要适当的屏蔽与束缚以避免因空气的强大动压造成伤害。多数弹射座椅都有速度限制以避免高速气流伤害飞行员,如果战斗机没有立即爆炸的危险,飞行员应尽可能在座舱内等待,等空速下降至安全范围内再弹射。但如果存在非常迫切的危险,即使在超音速飞行也要弹射,多数弹射座椅能超音速弹射,但不能确保飞行员的安全。目前仅有俄制K-36系统曾成功进行过超音速弹射,并且飞行员没有受严重伤害。其成功的主要原是弹射座椅上的气流偏折装置(wind blast deflector),当弹射座椅的微处理器探测到超音速状态时,会自动把两腿间的伸缩式气流偏折装置升起至胸部高度,使超音速气流产生的激波在该装置前分离,避免激波伤害飞行员,也避免高速气流直接冲击飞行员。配合特殊的KKO-5飞行服,即使弹射时没有放下面罩,头盔上方的压力感应孔在探测到高速气流时也会自动放下面罩保护人员面部,并由弹射座椅上的紧急氧气瓶供氧,使飞行员在高速状态下能正常呼吸。由于种种特殊设计,K-36系列弹射座椅拥有目前最大的弹射包线。

著名的K-36弹射座椅,飞行员腿部中间就是气流偏折装置,座椅头靠后方是两个伸出的导伞

4. 开伞程序

  开伞时的冲击力量可能会因导伞作用不良或主伞过早开启变得相当猛烈,开伞时的空速越大冲击力也就越猛烈,对飞行员和主伞结构都易造成伤害。高空弹射较为罕见,但伴随的危险性也更大,主要伤害来自于缺氧和低温,如紧急供氧系统失效或面罩在弹射过程中脱落。飞行服一般已经足以提供飞行员在弹射时的保暖需求,但如果在弹射时手套掉落造成手指冻伤,会对飞行员落地后的求生造成不利影响。

典型的弹射过程

  最早出现的弹射座椅仅仅是飞行员离开飞机的工具,后续的人椅分离及开伞都需要手动操作,如果飞行员在弹射过程中不幸失能或受伤而无法操作上述程序,就会让整个弹射程序徒劳无功。这方面的最早改进是自化开伞与人椅分离装置,其中的定时释放装置(timed release mechanism,TRM)使弹射程序自动化变得可行,该装置利用机械计时器或延迟燃烧药柱达到延时释放主伞、人员与救生包的目的,使开伞程序得以在周围已无障碍的安全环境下进行。但相同的开伞程序,却因操作环境的不同反而会对飞行员造成伤害,低空弹射时,为增加逃生时间要求缩短延迟开伞时间,但同样的延迟时间在高空却可能在座舱盖还未完全抛离时就开伞,并使飞行员暴露在高空、低温、低压及缺氧的环境中过久导致受伤,此外高速开伞时产生的冲击也会对飞行员造成伤害。虽然可通过增加延迟时间选择钮,视弹射情况设定时间,但多一道程序就多一分人为失误的可能性,弹射过程分秒必争,稍许的迟疑与失误都可能造成无法挽回的遗憾。

  弹射座椅引入了自动化弹射程序后,能通过座椅上的高度计(压力计)与空速管等传感器,把速度和高度作为开伞时机参数自动计算出开伞的最佳时机。高空缺乏足够的氧气,过早开伞会致飞行员在高空滞留时间过长,导致组织缺氧而昏迷,当高度计探测到弹射高度低于限制高度(多设定于3000米~4300米左右),则开伞时机不受时间延迟影响可直接开伞,如弹射高度超过限制高度,则时间延迟装置将持续作用直到低于限制高度,而且人椅分离装置在限制高度以上也被锁死,并持续为飞行员供氧。

  最早的自动开伞装置是背负式自动开伞(back-automatic,BA),在人椅分离后才能开伞,开伞时间约需2-3秒,速度越低所需开伞时间也就越长,相对于把伞包置于头靠(headrest)的开伞发射枪式(ballistically deployed)仅需的0.8-1.5秒开伞时间明显过长。此外,背负式在开伞初期也较易发生飞行员与伞绳纠缠导致开伞失败,所以基于弹射反应时间与成功率的考虑,背负式渐为被开伞发射枪取代。开伞发射枪是把导伞安装在导伞发射枪内(drogue gun),开伞时先把发射枪内约450克的金属块射入空中,产生的拉力足以把导伞拉出,让弹射座椅稳定下来并减速。等定时释放装置解锁后,导伞就把伞包内的主伞拉出,完成开伞程序。也有的弹射座椅采用双导伞(duplex drogue parachute)设计,用稳定导伞(stabilizer drogue parachute)和控制导伞(controller drogue parachute)进行弹射座椅的稳定和减速,使导伞的作用更为完善。与以前利用空气阻力拉出主伞的方式相比,导伞能缩短开伞时间、降低开伞需要高度、减小弹射火箭加速度,降低对飞行员的伤害,在低空低速时是效果更好。新一代弹射座椅则趋向导伞与主伞独立作用,视弹射情况可不开启伞直接开主伞,进一步缩短开伞时间。

  早期弹射座椅大多仅依靠定时释放装置和高度、空速传感器来决定开伞时机,随着电子技术的进步,在弹射座椅的设计中已经引入了微处理器(microprocessor),弹射时能用矢量推力控制弹道姿态,并把开伞冲击、大气环境对飞行员的影响维持在安全限度内。以美国的ACESⅡ(Advanced Concept Ejection Seat)弹射座椅为例,其主要弹射模式可分为三种:

美军多种现役战斗机配备了ACESⅡ弹射座椅

  模式一、(低空低速,高度小于4500米,空速低于460千米/时)弹射座椅离开导轨时主伞就打开,导伞在弹射过程中不启动以免与主伞纠缠。

模式二、(中等速度,高度小于4500米,空速介于460~1200千米/时之间)弹射座椅离开导轨时就打开导伞,延迟0.8至1.0秒后打开主伞,导伞立即脱离以避免与主伞纠缠。

模式三、(高空高速,高度大于4500米,或空速大于1200千米/时,符合其中一项条件即可)弹射座椅离开导轨时就打开导伞,直到速度与压力传感器判定弹射座椅已进入模式二时,经0.8至1.0秒后打开主伞,导伞立即脱离以避免与主伞纠缠。

5. 人椅分离

  弹射弹道的最高点就是人椅分离的时机,最简单的脱离方式是重力脱离,分离时依序释放肩带和腿带,人椅自然分离。但有时因人椅相对姿态问题无法顺利脱离,所以又出现了氮气瓶和椅背椅垫气囊,除释放腿带和肩带外,氮气瓶内的高压氮气会注入弹射座椅背部与臀部的气囊,产生把飞行员推离座椅的力量,不过脱离后的飞行员可能因此作用力而陷入无法预期的翻滚而受伤,这个推理也可能对飞行员臀部与背部的身体组织造成不同程度的伤害。所以又出现了安装在弹射座椅顶部的向下推进的火箭,在人椅分离时把座椅向下推,增加弹射成功机率,还有利用导伞在人椅分离时降低座椅的速度的。

人椅分离
人椅分离时应将弹射座椅上的救生包(survival kits)一并带出,并以带子和人员相连,避免落地时散落。救生包重7~22千克不等,视战斗机作战条件与可能弹射的地点而定,基本应具备野外求生、自卫、通讯与导航的工具,维持人员生命直至救援人员到达。

U-2飞行员救生包内的物品

6.着陆

  这是弹射过程中最重要的阶段,将近90%的弹射伤害发生在这一阶段,因此需要加强飞行员的基本跳伞训练,避免落地受伤。考虑到地球表面70%的面积被水覆盖,飞行员落海应尽快与降落伞脱离,避免因降落伞充水而把人员拉入海中,或人员被伞绳缠住。为了避免飞行员落海后失能或手部受伤,海水致动释放装置(seawater activated release system,SWAWARS)为日益普遍的装备,落海时电子组件与海水接触形成通路,装置立即引爆伞具上的螺栓,使人伞快速分离。

海水致动释放装置