浅谈中外航空弹射座椅的发展（二）

万磁王

一弹化去关头险，青鸟乘风再入云（一）——浅谈中外航空弹射座椅的发展
一弹化去关头险，青鸟乘风再入云（二）——浅谈中外航空弹射座椅的发展

原作者：兵器迷的天空

　　如果我们把上篇算做弹射座椅的《历史篇》，那么这一篇，就是弹射座椅研制的《技术篇》。
　　首先说明一下，本系列文章讨论的只是弹射座椅的相关技术，并未覆盖所有航空逃生装备的类型。
　　这位问了，除了弹射座椅，战斗机还有别什么救生模式吗？
　　还真有。
　　比如，1960年代，为使高空高速飞行中的飞机驾驶员跳伞时免受高速、低温、缺氧等因素的伤害，美、苏两国在弹射座椅的基础上，又首先研制成功密闭和半密闭式的弹射救生系统。所以，侯知健先生的文章说“西方所根本没有想到、也没有做到的；就是将弹射座椅作为一个独立的飞行器看待”，其实值得商榷。美国曾设计了将驾驶舱整体与飞机脱离，即以驾驶员座舱作为逃生系统。比如F-111，就是采用整体座舱逃生。该系统具有18500米和2.5马赫的弹射包线。但是后来因为成本高昂，座舱和战机分离技术更加复杂，因而被后续机型放弃。不过，兵器迷认为，这种思路可以避开下面探讨逃生座椅时遇到的很多弊端，也许未来技术水平提高了，这种超前的座舱整体逃生模式，能够凤凰涅槃，亦未可知。

F-111的整体弹射座舱

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　　回过头来，说弹射座椅。

一、硬件、程序和启动
　　首先，从硬件上说，弹射座椅型乘员应急离机救生系统主要包括弹射座椅、伞降系统、个体防护装备、供氧系统和救生物品等，涉及十几个个学科，是典型的人-机-环系统工程。
　　再从程序上说，飞行员气动弹射程序之后，系统动作大致分为抛盖、出舱、空中自由飞、救生伞拉直，救生伞张满、稳降六个阶段。最后一个阶段稳降其实与一般的伞降已经差别不大，只要前一个阶段救生伞张满时，伞降高度足够，能否安全落地依靠的是伞降环境和飞行员操纵，已经与弹射系统的关系不大了，我们不再讨论。

弹射座椅的工作阶段

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　　前五个阶段，就是飞行员启动弹射程序后，从抛盖一直到救生伞张满，整个过程一般在3秒之内自动完成。在这个数秒中的短暂过程中，弹射操纵、弹射动力、程序控制、人／椅稳定、人／椅分离、救生伞等子系统及相关部件必须高度协同，以确保万无一失。
　　过去，为了防止飞行员误操作启动弹射，弹射手柄要远离正常飞行操作区，因此设在飞行员头部附近，要举手下拉。但是，如果遇到5G甚至更高的大过载弹射，飞行员全身都被过载死死压着，很难将手臂抬到头部上方启动弹射手柄。因此，现在的弹射座椅一般都把手柄置于两腿中央，中国的弹射座椅基本都是这个布局（参见第一篇的图）。不过，侧杆（side-stick）操纵的战斗机，也有把弹射手柄置于右腿外侧的。这两种低置启动布局，都可以有效降低启动弹射的动作难度，也缩短了下达弹射命令时间。

早期弹射座椅需要拉下防护面帘才能弹射

侧置弹射手柄的弹射座椅，用在X-15研究机上

　　启动弹射之后，座椅束缚装置将飞行员身体及腿部束紧，避免弹射时身体及腿部与座舱内设备的碰撞。

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二、抛盖
　　弹射启动后的第一阶段，即“抛盖”，就是要在弹射飞行员出舱前，释放座舱锁将座舱盖抛弃，为飞行员弹出战机打开通路，离开飞机座舱，同时拉开之相连的牵引伞保险。按照技术原理，抛盖大概有以下四种方式：
机械抛盖：
　　原理：早先的抛盖方式，是通过液压或高压空气作为动力，驱动机械部件，将座舱舱盖抛离，然后弹射出舱。
　　缺点：机械系统重量大，关键是反应速度慢。而且，很多弹射的场景都是飞机已经失控的状态，因此液压或气动系统可能已经失效或基本失效，因此可靠性也受到了质疑。先抛盖再出舱，时间间隔不利于尽早开伞，也是一个重要缺陷。

早期飞机速度慢，使用机械抛盖就行了

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物理穿盖：
　　原理：依靠弹射器本身动力，配合椅背顶部硬物直接暴力拆迁，撞破座舱盖——采用这种方式的座椅一般椅背的两侧都有穿盖叉做冲角。穿盖和出舱同时进行，这样可以比机械抛盖节省约0.3秒的时间。同时，由于穿盖叉是一个固定的金属结构，结构简单，可靠性高。

“枭龙”战斗机弹射座椅顶部的冲角

　　缺点：
　　1：万一顶穿不顺利或者只是顶穿了一部分，可能导致飞行员头部和脊椎受伤。
　　2：由于1的问题，即便顶穿过程顺利，飞行员也会下意识的缩头防止撞上舱盖。可就是这一缩头，就容易导致脊椎受伤。因为出舱时要求脊椎挺直，否则难以承受出舱高过载。
　　3：1970年代末期，开始出现了整体气泡式座舱盖。所用的材料是聚碳酸酯与丙烯酸酯复合的透明材料，再与钢化玻璃复合，强度高，难以实现可靠穿透。

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火药抛盖：
　　原理：采用火箭或其他火工品，将座舱与飞机的连接解锁抛出后飞行员再出舱。在三代战斗机上相当一部分采用了这种火箭或火药抛盖弹射方式。F-22也使用了爆破抛盖，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，避免与后继弹射的飞行员发生意外碰撞。

F-22座舱盖前部的抛盖火箭

　　缺点：与物理抛盖类似，耽误弹射时间，但间隔相对较短。或者时间配合不好，弹射器早于舱盖被抛，飞行员头部撞到舱盖受伤。

F-16抛座舱盖弹射

战斗机也可以只抛盖不弹射，由飞行员在舱内或地面救援人员在舱外操作

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爆破碎盖：
　　原理：即将软式爆炸索安装在座舱盖上，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。弹射时通过电点火装置引爆爆炸索，直接把舱盖炸碎，碎盖和出舱几乎同时进行。
　　缺点：碎盖和出舱几乎同时，因此飞行员穿过碎片区时可能会被割伤。当然，一方面，气流会吹离碎片，再加上头盔、面罩等护具的保护，头部受伤的风险相对很低，但割伤衣服或者手臂还是有可能的。

F-35爆破碎盖弹射，可以看到贴在内侧的爆破索

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　　总的来说，抛盖和穿盖（或碎盖）是两种主要的弃盖方式。从目前的发展看，穿盖是主流。特别对多座和垂直起降飞机而言，更是这样，因为多人弹射时每个人的座椅出舱角度都不同，那么舱盖抛弃是无论是什么轨迹，都有可能伤及飞行员。而垂直起降或者STOVL飞机，比一般战机会有更多的低空、高下沉率弹射，可能根本就没有足够时间先抛盖再弹射。

“鹰狮”战斗机的穿盖弹射测试

　　其实，三代弹射座椅比二代的优势之一，就是在低空或低速弹射时，开伞时间能比二代快一秒。这一秒钟可以挽救很多飞行员的生命，为此也要花费很多研发和设备资金。在这一秒钟里，有0.3秒，就是穿盖能比抛盖快所带来的贡献。
　　所以，航空航天科学的进步，就是这般不吝皓首穷思，费劲移山心力，就是这在一秒、一克、一米上下足了功夫啊。

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三、出舱
　　弹射的第二阶段，即“出舱”，上面谈抛盖的时候，已经顺便谈过了出舱。就是安装在座椅后部的导向装置工作，弹射弹被击发，产生气体压力将飞行员连同座椅一起推向舱外。在座椅上升过程中，抗荷服、氧气面罩及耳机等飞行员穿着或佩戴的装置会自动与座舱分离。
　　这里，还有一个问题需要注意，就是飞行员对出舱过载的承受能力。这也是航空医学的重要课题之一。
　　航空医学研究表明，人体在弹射座椅系统的主要受力要素有四个：
　　1 过载：根据人体姿势的不同，脊椎能够承受的瞬间过载为16.3-20G。如果弹射出舱时的脊椎承受过载达到18G，则飞行员有10-15%的脊椎损伤概率。如果最大过载达到25G或者更高，就有可能给飞行员的脊椎造成永久伤害。另外，过大的负荷还可能出现飞行员大脑缺血性晕眩，甚至昏迷的情景。
　　2 速度：出舱弹射的速度控制在150-250米/秒，终速大约16米/秒。
　　3 时间：弹射出舱的时间应该在0.12-0.18秒以下，受理时间不能太长。
　　4 受力：最大承受出舱弹射力应控制在1470公斤以下。
　　此外，飞行员的正确出舱姿势对于加大承受能力和避免伤害也是有帮助的。如果在出舱弹射过程中，飞行员姿势前倾，则脊椎受到挤压甚至会导致压迫性骨折，脊椎骨形变为楔形甚至形成粉碎性骨折。最好的出舱姿势就是仅仅贴住椅背保持头颈正直，不缩不歪，不俯不仰。因此，在飞行员启动弹射手柄后，现代弹射座椅背的惯性绞盘，会在在弹射枪作用前先将肩带、腿带、腰带后缩，使飞行员牢牢确实固定于椅背上，避免弹射过程时因人员姿势不良、脊椎受力不当而受伤。更多详细内容请参见王立杰先生的文章。

弹射时肢体的固定，以及身体的姿势都非常重要

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四：空中自由飞
　　弹射的第三阶段，即所谓“空中自由飞”阶段，是指从飞行员弹射出舱开始，当座椅上升到一定高度时，安装在座椅底部的一个或多个火箭包工作，加速座椅离开座舱的过程。人-椅在空中飞行，引导伞和稳定伞先后拉出，初步稳定座椅姿态，直到救生伞从座椅的头靠伞箱射出为止。
　　说是“空中自由飞”，听起来很浪漫的感觉——人在弹射座椅上坐着，在蓝天白云间自由飞翔，最好多飞一会儿才好，呵呵。
　　其实呢，这个阶段也大约就是不到2秒钟。比如，中国某型弹射座椅的数据表明，从启动弹射到救生伞射出，大约是2.48秒。
　　关键是，这个阶段，其实在很大程度上，决定了救生弹射的成败，在很多时候非常危险，甚至是最危险的弹射阶段。
　　为什么呢？
　　因为，飞行员弹射出舱后能否救生成功，首先需要确定的，就是座椅的姿态。在弹射救生领域，座椅的姿态主要是指座椅的滚转角、俯仰角和下沉度。如果座椅的姿态不正常，则会带来三方面的影响。
　　首先，是影响座椅的弹射轨迹，即弹射高度受到损失。而确保一定的弹射高度，是弹射救生的第一要务。一般在零-零弹射中，第三代座椅的弹射高度能够达到60-100米。中国某型二代座椅的弹射高度为60米，某三代座椅的弹射高度为107米。而在姿态不利的情况下，弹射轨迹高度将急剧降低，甚至很快达到负值（后文有详述），从而丧失救生性能。
　　第二、不稳定的姿态，将可能导致座椅姿态持续恶化。比如座椅后仰，就容易造成座椅翻滚，而倾斜的座椅可能导致持续翻滚，甚至能够把飞行员甩的严重受伤乃至死亡。
　　第三、不利姿态对弹射救生的后续阶段，如人椅分离、开伞等动作或动作效果造成严重影响。比如座椅的前倾（俯），就会导致弹射轨迹的前倾而影响开伞动作。
　　因此，如果能够控制弹射座椅的姿态保持正常，就会大大提高安全救生的概率。实际上，二代弹射座椅主要解决的是弹射“高度”控制，三代座椅解决的主要问题是“速度”控制（就是第一篇谈到的高度+速度双态控制），四代座椅的主要需求目标，就是解决“姿态”控制的问题（即速度+高度+姿态三态控制）。就是这个座椅姿态控制，困扰了各国航空救生机构整整四十年。
　　这位朋友问了，究竟是什么难点，导致座椅姿态异常呢？在四代座椅的研制中，又是采用何种方法来避免或者纠正这种异常呢？

这架CF-18的低空弹射姿态很不理想，可以看到座椅弹射在纠正姿态，保住了飞行员的性命