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楼主: 万磁王

浅谈中外航空弹射座椅的发展(二)

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:45:17 | 显示全部楼层
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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。
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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。
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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。
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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。
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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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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:45:53 | 显示全部楼层
第二个难点:就是战机的姿态角度和下沉率
  当战机在低空低速、大下沉率和低空高速俯冲时,飞机的滚转角度会加大。也就是说,虽然座椅相对飞机座舱是向上的,但是座椅相对于地面的速度方向,可就不一定是垂直向上的了。初等力学告诉我们,随着滚转角度的增大,弹射速度垂直于地面的分量会逐步减小。而当滚转角大于90°,甚至倒飞时,弹射速度的垂地速度分量甚至会达到负值。
  有朋友生气了——高中物理我都还给老师了,讲什么“弹射速度的垂地速度分量会达到负值”,这不是要我好看吗?
  好好,咱们换个说法:打个比方,飞机倒飞时,弹射座椅会直接向地面弹射,这下明白了吧?
  类似同理,大滚转、大侧飞、倒飞、俯仰角为大负值、高下沉率,都会导致高度损失急剧增加,最终结果就是救生失败。
  在下图6中,我们看到,国产某三代弹射座椅在相关测试中显示,飞行速度是比较适合弹射的450公里。但飞机俯仰角为-60°,滚转角度大于45°时,座椅弹射后一秒左右,弹射高度就会损失到0,意味着弹射后无法进入降落伞拉直和打开阶段,弹射完全失败。
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某型弹射座椅大俯仰角的不同滚转角救生高度轨迹图(纵轴为高度,横轴为时间)
  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,飞行速度是比较适合弹射的250公里。但飞机下沉率为50米/秒,滚转角度大于45°时,座椅弹射后弹射高度也会有很大损失,可能导致弹射失败。
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某型弹射座椅大下沉率的不同滚转角救生高度轨迹图(纵轴为高度,横轴为时间)

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:46:17 | 显示全部楼层
  咱们小结一下:
  1 弹射座椅在零-零弹射时,轨迹高度最高,座椅姿态最稳定,救生性能最好。
  2 高速弹射时,俯仰角变化,座椅姿态稳定性下降,救生性能下降。
  3 低空低速大下沉率,或者低空高速俯冲时,由于滚转角变化和飞机速度分量的变化,救生性能急剧下降。低空大滚转高速弹射,最难以控制的救生姿态,
  总之,三代座椅难以保证这些不利姿态的救生质量。
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K-36的地面、5000米以下高度、5000米以上高度的弹射模式

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:47:19 | 显示全部楼层
  因此,有些媒体宣扬什么“某型国产座椅具有零-零弹射功能,技术先进”,就很让人无语了。因为所谓零-零弹射,就是没高度,没速度的弹射,难度其实是很低的,根本就谈不上什么先进。中国早在1970年代研制的HTY-3就解决了零零弹射,从歼7-III和歼8、强五改等机型就已经能够实现这个目标。而现如今,哪个弹射座椅做不到零-零弹射啊?
  当然,看了上面的难点解释,我们知道,其实速度和高度这两个零还不是最容易的弹射条件,如果俯仰、倾斜、下沉率这三个也是零,也就达到了某航空专家说的“五零弹射”,那才是最理想的弹射姿态。
  有人问了?五个零,那是什么情况才会发生这样的弹射啊?
  嗯,是很奇葩,不过还真有——就是飞机在地面上停着,飞行员误操作,拉了弹射手柄。就是教科书标准的“五零弹射”。
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苏-35UB战斗机进行零-零弹射
  因此在实践中,如果飞机需要弹射,那么弹射前,飞行员都会尽量调整飞机,使飞机转入平飞或爬升状态。这样的目的只有两个,一是获得较高弹射轨迹,二是获得有利的飞行姿态,然后再启动弹射。反过来说,飞行员会极力避免在大坡度盘旋、或高速俯冲等大过载、大滚转条件下进行弹射,道理是一样的。
  曾经有一个双座机弹射案例,战机失去平衡滚转失控,需要弹射。后座飞行员先弹射,因座椅姿态不利而弹射失败牺牲;反倒是前座飞行员带杆修正姿态,然后再弹射,因为姿态稍好,虽然晚一点弹射,却获得了更高的救生高度而最终获救,就是这个意思。
  不过,也有反例。如果弹射战机已经存在较大的下沉率和负仰角,则飞行员需要争取弹射时间,尽早弹射离机。尤其对于抛盖方式和多乘员型飞机,由于抛盖机指令弹射系统延时,会进一步加剧高度损失,对弹射时机的把握更是毫秒必争。
  此外,在弹射时,人椅的重心位置应与推力轴线保持住一定范围之内,避免重心过于靠前或者靠后,以获得良好的弹射弹道。

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:47:51 | 显示全部楼层
五:降落伞拉直-降落伞张满
  弹射的第四阶段,即所谓“降落伞拉直”阶段,则是从降落伞从头靠伞箱射出,乘员与座椅的各种约束接触,人-椅分离瞬间开始,到救生伞系统全长拉直为止。那么,什么又算是降落伞全长拉直呢?在专业上,降落伞拉直定义为:
  伞绳拉直长度=伞绳长度+伞衣半径
  也就是说,当降落伞的全长达到伞绳长与伞衣半径长度之和的时候,降落伞就拉直了。
  再往下,就是弹射的第五阶段——“救生伞张满阶段”。是从降落伞拉直开始,直到降落伞第一次充满为止。
  降落伞拉直阶段和降落伞张满阶段,人-椅系统的研究对象,变化为人-伞系统。而且大家完全可以理解,随着降落伞的充气体积增大,这个人-伞系统的外形、质量在充气过程中连续显著变化。因此,充气过程的人-伞系统轨迹和开伞动载的计算方法非常复杂,而且到今天都远未完美。国内外关于这两个阶段的模型,其模拟程度并不高。
  实际上,空中自由飞阶段如果是正常的,即高度条件、姿态条件、速度条件良好,就能够为后续的降落伞拉直和充满提供有利的条件,那么这两个阶段就会比较顺利。而这些约束条件是有严格规定的。比如,GJB1800A-2007 《弹射座椅型乘员应急离机救生系统通用规范》就规定:救生伞第一次张满时,乘员离地高度不得低于6米。这样的细则,我们就不赘述了,
  与出舱的时候类似,在出舱之后到开伞,为了避免飞行员身体受到损伤,同样要求适时做出防护动作。即收紧身体,抵抗冲击。但如果弹射过程中飞行员已受伤,就可能无法完成这些动作,导致受到二次伤害。如果造成脊柱损伤,即使跳伞成功,也无法恢复飞行,甚至造成终身残疾。我国著名飞行员徐勇凌在1987年第一次遇险弹射前,准备时间相对充裕,做出了必要的防护动作:蜷曲手脚,保持脊柱直立。身体基本没有受到损伤。而1999年低空、高速弹射时,来不及做出防护动作,出舱时受到冲击而身体受损,开伞时更无力作出防护动作,造成腰部肌肉被严重拉伤。经过康复治疗,徐勇凌后来得以重返蓝天,这已经是非常幸运的了。
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弹射过程中完整的开伞过程

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:48:21 | 显示全部楼层
六、低空复杂弹射的首要关键因素
  结合前面的讨论,最后再强调一点。这就是,虽然弹射高度对安全弹射具有非常重要的意义,但仍非低空复杂姿态安全弹射的首要关键。
  首先,从上面的讨论我们知道,弹得更“高”其实是弹得离飞机“远”,但复杂姿态下未必是离地面更高。这也是为什么,俄罗斯的K36系列最新改型弹射座椅,在速度小于650公里/小时,且滚转角度大于90度时,主动力火箭包根本不工作,就是为了避免形成高度损失。退一步,即使弹的确实离地面有高度,如果弹射时飞机下沉率很高,安全高度也会迅速损失。最后,如果仅仅弹射高就能解决一切,那只要增大火箭包弹射力量就好了。但短时间弹射太高,说明弹射载荷很大,飞行员身体也未必受得了。
  那么,低空复杂弹射的关键要素究竟是什么呢?
  这就是:从启动弹射到降落伞张满这五个阶段的总时长。缩短这个总时长,才是低空弹射的设计关键。只要能够让降落伞尽快张满,哪怕飞行员有每秒60米的下沉率,也会迅速降低到每秒5-10米左右。请大家记住这个关键,我们下一篇分析时要用到它。
  第一篇发贴后,CD有网友说“中国的弹射成功率水平是世界倒数的”。这个话说得似乎以偏概全,有失公允。一方面,中国三代机如歼-11系列和歼-10系列的弹射成功率还是非常高的,歼-10自不必说(2014年底为止100%弹射成功),就是歼-11有过惨痛的弹射失败,但弹射成功率高这个事实,还是需要肯定的。另一方面,我军弹射座椅中,弹射失败率较高的,是这样两个机型:
  第一、 早期的歼-7,采用米高扬设计的带离式弹射救生装置,系统复杂,质量低劣,很容易失败。到歼-7II已经获得很大改善,1985年全年发生5次弹射,全部成功。
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米格-21F-13的带离式弹射救生装置

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 楼主| 发表于 2015-8-27 11:48:50 | 显示全部楼层
  第二、 早期的轰-6,彼时中国尚未攻克多乘员弹射座椅的折流片侧推技术,弹射程序非常繁琐。6人机组中,2人向上弹射4人向下弹射。从弹射离机到伞张满达10秒以上,低空离机成功概率极低。轰-6装备后的8起一等事故中牺牲了41名飞行空勤人员,只有2人弹射成功。到了轰-6K已经获得解决。
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轰-6K已经彻底解决了老轰-6的弹射救生问题
  以上两个机型,弹射座椅都有很大的设计缺陷,也附带有质量问题。因此设计和工艺改进后,弹射效果有很大提高。近年来公开媒体报道较多的,反倒是歼轰-7“飞豹”战机的一等事故(机毁人亡)。那么,我们又如何利用上述知识,去分析其具体原因呢?
  预知后事如何,且听下回分解。
注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
《弹射座椅性能研究》
《弹射座椅性能仿真分析》
《飞行姿态对弹射座椅的影响》
空军之翼侯知健先生的《谈谈我国战斗机的弹射座椅》
空军之翼王立杰先生的文章《飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生》
本文还引用了《兵器知识》等多份军工杂志的信息和图片,在此一并致谢!

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