第一个难点,就是战机的飞行速度
在飞行员选择弹射时,飞机可能处于不同的飞行速度。试验表明,飞行速度最高在400-600公里时,弹射效果较好,但显然不可能都选择在低速飞行时弹射。而弹射时如果飞行速度过高,即便弹射时座椅初始姿态正常,出舱之后迎面高速气流过大,那么弹射座椅的火箭包动力,就难以克服高速气流带来的气动力,会导致座椅的运动发生较大改变。比如大角度后仰。而座椅的这种姿态变化运动,会反过来改变气动力;接着改变了的气动力进一步改变座椅姿态……这样相互耦合自激励,座椅的空中姿态就会越来越不稳定。
空中自由飞的时间虽然只有2秒多,但在总计3秒的弹射时间里比重是很大的。而且高速飞行时,弹射的双态控制器,会选择开伞时间较晚的程序。这是因为,如果高速时开伞过早,伞会被高速气流撕碎。因此,延迟开伞的持续,就会进一步造成座椅姿态不稳,影响座椅轨迹高度增加,造成弹射性能严重下降。
在下图中,我们看到,国产某三代弹射座椅在相关测试中显示,零-零弹射时,座椅受到的气动力较小,弹射座椅火箭包的推力足以克服气动力造成的座椅抬头力矩。弹射高度超过80米,而在1100公里高速弹射时,火箭包推力无法克服气动力的抬头力矩影响,弹射轨迹最高骤然下降到40米以下。
某型弹射座椅的救生高度轨迹图(纵轴为高度,横轴为时间) 而且,如下图,在1100公里飞行时速时弹射,座椅俯仰角以大约一秒为周期,在-20°-42°之间大幅摆动,瞬时摆动速度甚至超过1000°,飞行员受到的瞬时过载超过40-50G。这种摆动进一步造成了弹射轨迹高度的损失,伤害了飞行员的肌体,大大降低了救生效果。
某型弹射座椅的俯仰角图(纵轴为俯仰角,横轴为时间) 高速飞行弹射除了对座椅姿态的影响,还带来一个问题。这就是超音速弹射时的高速气流,动压太大,对飞行员身体也会造成伤害。因此多数三代弹射座椅,都有弹射速度限制,以避免高速气流伤害飞行员。
弹射座椅的高速导流板设计 也正是因为这些原因,二代和三代座椅先后突破了时速850公里(0.7倍音速)、1000公里(0.8倍音速)、1100公里(0.9倍音速)的安全弹射,但此后一直未能再获得大的突破。正如侯知健先生文章所谈“美国海军统计了1976-1989年间的弹射事件,其中弹射速度超过926公里的弹射共计10人;就在这10人中,伤亡高达6死2重伤,只受到轻微伤害的仅有2人”。虽然美国和中国的最新弹射座椅,理论上速度包线都超过了1200公里音速,但在弹射救生的历史上,只有俄罗斯的K-36系列真正实现过超1马赫的弹射救生,且飞行员安然无恙,而且是个案。因此,超音速弹射,这也是四代需要解决的重大问题之一。
只有俄罗斯的K-36系列真正实现过超1马赫的弹射救生,且飞行员安然无恙,而且是个案
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