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。
回过头来,说弹射座椅。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
