浅谈中外航空弹射座椅的发展（二）

万磁王

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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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。

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。

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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　　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。

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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　　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”。

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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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。

弹射过程中完整的开伞过程

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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。

米格-21F-13的带离式弹射救生装置

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　　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。

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！