飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生

万磁王

原作者：王立杰  

　　战斗机性能日新月异，除战斗机日益提升外，也对飞行员弹射逃生的安全构成威胁，随着战斗机包线的扩展，弹射座椅的包线也应随之扩大以确保飞行员的安全，将火箭推进、推力矢量控制、陀螺仪与大气传感器等新技术纳入弹射座椅设计中，利用计算机控制包括座舱盖抛离、弹射火箭点火与开伞时机等相关弹射程序的进行，确保飞行员安全从失控战斗机中逃生。

2010年加拿大CF-18在航展表演中坠毁，飞行员在不利姿态下弹射，安全逃生

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前言
　　弹射系统是飞行安全的最后一道防线，如何使飞行员从一架已陷入危险状态的飞机安全逃生是一种专门的艺术，现代战斗机的攻击性与破坏力都相当惊人，从军备角度分析战斗机性能一般着重于性能或动力参数。虽然随着科技的进步，特别是包线日益扩展，战斗机能够做出种种匪夷所思的机动，但进一步对弹射逃生造成挑战，这不仅牵涉到精密机械设计，还要考虑如何使飞行员安全脱离已失控飞机而不遭受伤害。
　　飞行员启动弹射系统时飞机姿态多已无法保持稳定，理想情况是在平稳姿态下以合适的速度和高度弹射，但在多数情况下飞机已经脱离控制，其姿态、速度与高度都不利于弹射跳伞程序的进行，甚至飞行员已经受伤。因此如何在飞行员下达弹射决心后简单、迅速、安全地逃生成为弹射系统设计的主要理念。
　　弹射逃生的历史可以追溯到最初的跳伞表演，当时空中马戏团的演员从气球跃下，打开降落伞缓缓着地来取悦观众。但发展从战损或失控战斗机上逃生的技术却被认为是懦夫行径，甚至还有人认为逃生设计会使飞行员变得贪生怕死。然而随着一战飞机大量运用于战场上，空勤人员大量折损后，如何增加空勤人员的存活率开始被人所重视。

早期的气球跳伞表演

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　　降落伞从一开始就是协助飞行员脱离失控飞机的逃生工具，早期飞机航速慢，可以人力推开座舱盖（或根本没有座舱盖）再跳离飞机。但随着飞机性能的提升，空速、高度持续增加，这种方法已不能确保飞行员的安全，据统计当跳伞时的空速大于360公里/时，飞行员的存活率仅约2%。显然单纯倚靠人力逃生已不足以确保安全，所以利用机械弹射逃生的概念应运而生，弹射方式主要分为两种：一是人员坐在弹射座椅上脱离飞机，然后开启降落伞；二是驾驶舱整体与飞机脱离，以座舱为逃生舱对人员提供保护。前者对飞机结构影响较小，成为战斗机逃生系统的主流；后着因管路配置、结构设计等因素对战斗机结构影响较大，迄今为止只有很少飞机采用，因此本文将重点讨论弹射座椅。

安装弹射座椅的第一架量产型飞机是He 219型双座夜间战斗机

F-111就是整体逃生舱设计

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弹射系统的发展
　　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

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　　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

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　　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。

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弹射程序的进行
　　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。
一、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。

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二、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

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　　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

歼-10战斗机的穿盖弹射测试

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三、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