向15秒极限冲刺——歼-10的抗过载发展

万磁王

作者：候知健

引语

　　歼-10在定型时，它允许9G飞行过载的10秒最大持续时间只有F-16的2/3，在三代机中只能算是二流水平；而直到数年之后，才通过相关设备、配套训练体系的改进达到15秒的西方主流水平。（所有数据均来自公开论文、专著明确指出的型号、性能指标）

一．战斗机飞行员基础过载能力仅耐受10秒钟4.25g过载，赵伟飞9G依靠3秒安全规律

在离心机中持续5G时失去意识的战斗机飞行员

　　对于任何一款三代机来说，强大动力的最大意义都是体现在加速和爬升能力上——尤其是外挂的武器弹药、燃油大幅加大了重量与阻力之后。限制新型战斗机较长时间发挥极限飞行性能的最大瓶颈，早已转移到飞行员对于过载的忍耐能力上。当驾驶者已经失去视力和意识，或者无力再继续进行高机动飞行的时候，飞机无论还有多少动力和机动性能剩余都已经毫无意义。

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　　在飞行过程中，飞行员会承受多种方向上的过载。我们常常说的9G过载是通过升力产生，从机翼下方指向机翼上方的法向过载，又称为正过载，通常在飞机进行盘旋的时候出现；此时人体需要承担额外的重力，大小则取决于飞行动作的猛烈程度。类似的情况我们在日常生活中也可以遇到，比如电梯启动、加速上升时可以体验到身体有加重的感觉，当然在程度上是远远无法与战斗机极限过载相提并论的。

飞机盘旋时产生的2G过载情况

　　当正过载达到9G时，飞行员要承受自身（包括服装、头盔等物品）9倍的重量。这个过程中飞行员体内的血液会在重力下向腹部、腿脚移动，而一旦眼睛和大脑得不到充足的血液，那么很快就会出现因为缺氧而引起视力丧失，继而失去意识。

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　　由于人体的眼睛和大脑分别有3秒、10~12秒左右的氧气储备，飞行员一般不会在3秒之内就出现视觉丧失的情况。2014年安阳航展上，中国红牛特技飞行队队长赵伟驾驶XA42表演机做9G飞行只持续3秒左右也正是这个原因，如果想进一步延长大过载时间，抗荷服、加压氧气面罩等都是必不可少的装备。

　　特别值得一提的是，3秒规律并不代表绝对安全。一旦进入极限过载的过程太过于剧烈，飞行员身体和心理上都缺乏准备和主动适应的过程，同样会在瞬间丧失视力甚至意识。几年前中央电视台曾经公开报道过一次歼-11BS由于电传飞控故障引起的飞行事故，飞机突然进行了剧烈的俯仰摆动，最大过载达到9.36G，猝不及防的飞行员瞬间就进入了灰视状态。

飞行员讲述事故经历

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　　灰视状态代表着飞行员已经开始看不清东西，四周的视野已经开始逐步丧失。它不仅是飞行员抗过载耐力达到终点的标志，也是飞行员即将完全失去视觉（黑视）和意识的前兆。如果俯仰失控的程度更剧烈、持续时间更长一些，那么就很可能导致飞行员来不及与后方留下任何通讯就陷入昏迷，任由失控的飞机坠机或者空中解体，事故的真相也会难以查明。

　　而超过3秒以后还能不能维持住视觉和意识，这取决于一个人的心脏能不能在高重力条件下有效的把血液泵送进眼球和大脑。这种“基础抗荷能力”与身体条件、尤其是先天遗传因素有非常大的关系：比如它基本上与血压（心水平收缩压）成正比，与眼睛到心脏的距离成反比，因此基础血压偏低的人、个子太高的人，都注定无法成为合格的战斗机飞行员。当然，这也绝不意味着高血压的人就适合开飞机。

通过旋转形成过载的离心机，受试者耐力丧失以后，红圈内面板上的灯具会以四周到中央的顺序从视野中消失

　　在今天看来战斗机飞9G过载是一件很平常的事情，实际上这是人类花费了大量时间、金钱、人力、乃至于生命才换回的突破。从一般的统计规律看，战斗机飞行员如果没有装备的辅助，不使用特殊的动作技巧进行对抗；他们对于正过载的基础抗荷能力不到9G的一半，平均水平在4.25G（持续10秒）左右——即便美国也不例外。

　　从基础耐力的角度来说，4.25G同时也是三代机飞行员选拔的标准之一，5G已经是试飞员等精英飞行员的平均水平了，能够达到5.25G以上的人只是少数。还有极个别人可以达到7G标准，这属于爹妈从遗传基因层面带来的天赋压制，他人可羡而不可求。

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二．歼-10过载标准源于F-16

　　早期的螺旋桨飞机虽然飞行速度低，但是由于飞行高度也低——这意味着空气密度很高，它们仍然可以获得足够的升力来完成较大的过载；不过8G左右的最大过载只能在瞬间出现，多数情况下都只能持续十几秒的4-6G过载。这种过载强度基本延续到了第一代和第二代喷气式战斗机上，不过它们的飞行速度、高度更大，过载的持续时间也更长。比如F-4战斗机的典型空战动作过载曲线中，4-6g过载时间超过60秒以上，其中5G以上过载时间接近30秒。

F-16的大后倾座椅

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　　由于早期火控与武器系统的性能落后，飞行员要驾驶战斗机开火的操作步骤相当繁杂；不仅反应慢，而且机炮、导弹的命中率也很低。这都意味着一方在短时间内态势占优也往往难以进行有效攻击，空战中会出现大量中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的情况。而由于当时战斗机飞行性能以及抗过载技术的发展水平限制，这就代表战斗机必须进行大量4-6G过载强度的持续机动。

　　F-15就是针对这一点设计的，相较于F-4的5G过载持续时间不到30秒来说，F-15的5G过载持续时间达到100秒而且反复出现；虽然其最大可用过载7.33g，但实际使用中瞬间飞行过载频繁超过9G。F-15过于保守的过载指标明显限制了飞行性能的发挥，这种矛盾折射了它设计思想的时代局限性——更直接的说，F-15过载设计仍然遵循的是二代机标准。

F-15过载设计仍然遵循的是二代机标准，在高强度飞行后出现结构裂纹也就不足为奇了

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　　按照航空加速度生理学对人体的定义，6G过载持续15秒时间以上就属于持续性高过载——在这个区间，飞行员丧失意识的几率和速度都极大幅度的提高了。这也是二代机与三代机设计中的一个核心区别：新一代飞机的持续机动过载从4-6G为主，瞬间过载8G左右；提升到持续机动过载6-9G为主，瞬间过载超过10G的水平。

　　真正把战斗机机动能力带入持续性高过载时代的型号正是F-16，自它以后，战斗机的过载能力必须达到6G过载持续45秒、9G过载持续15秒的水平才能在三代中算得上是一流。F-16性能突破的先决条件除了飞机自身的飞行性能大幅提高外，还要归功于美国上世纪60年代抗过载研究成果开始从实验室向实际型号研制转移；在抗过载座舱、新型抗荷服、代偿背心、抗荷加压呼吸、新型抗荷动作等一系列技术措施投入使用以后，飞行员才能承受长时间的高过载飞行。

F-16和F-4在1.2马赫下的转弯半径比较，F-16具有明显优势，当然飞行员承受的过载也比F-4大

高抬腿设计使F-16的仪表台尺寸在三代机中严重偏小

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　　比如F-16在座舱的抗过载设计上就实现了巨大突破：它采用了后倾角度很大达到30度的座椅，它使飞行员形成背部斜躺而腿脚弯曲抬高的姿势；由于战斗机高过载飞行都会有15度以上的抬头角度（迎角），因此接近9G时飞行员后倾实际上达到45度。30度后倾座椅后来延续到了F-22上。

F-16的大后倾座椅有助于提高飞行员的G耐受值，但由于缺乏头部支撑，导致很多飞行员出现颈椎病

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　　飞行员在半躺以后，过载增长速度的大小对人体的影响会变弱，人体有了更多的时间对高重力反应进行适应和代偿——这是个很简单的三角函数结果。其次是心脏到屁股和脚的高度差明显缩短了，有效的减轻血液向腿脚坠积的趋势，延长了飞行员维持视力和意识的时间；心脏和眼睛之间高度差的缩短在这个角度范围内反倒影响并不大。

　　后来的三代机绝大多数都遵循了F-16的过载指标。即使是高过载机动的持续时间上有所缩短，或是未必采用相同的大后倾座椅、高抬腿设计；但9G最大可用过载已是公认标准，而座舱抗过载设计也是依照相同的基本原理展开。歼-10就是一种典型的9G最大过载战斗机，在过载指标上它如今已经达到了F-16的指标；但是其间的过程并不顺利，在设计上也留有一些遗憾。

歼-10是一种典型的9G最大过载战斗机

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三．歼-10抗过载能力组成揭秘

　　战斗机的抗过载研究成果颇为类似游戏中的属性点和装备加成。三代机飞行员的基础抗荷耐力算是游戏角色的基本天赋属性，一般以4.25G计算。抗荷服通过压紧大腿和腹部，可以有效减缓高过载下心脑循环中的血液流失，高性能型号可以提供2.5G甚至更高的抗荷效果。这两个效果要发挥对飞行员的体力消耗都不算很大，疲劳值较低，可以视作被动系的属性和装备效果。

歼-10的座舱抗过载设计优于苏-27