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。

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。

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。

飞行员在抵抗高过载时,需要针对性的做出收紧全身肌肉的抗荷动作,可以达到1~2G的抗荷效果。通过呼吸面罩强行把大流量的氧气压入肺部,使飞行员血液含氧量大幅升高,也可以提供1.5~1.7G甚至更高的抗荷效果。但是抗荷动作和加压呼吸对飞行员的体力消耗很大,疲劳值相当高,是使用次数和时间都有限制的主动系技能和装备。

歼-10完成9G过载飞行,依靠的正是上述几种措施的综合应用。而直到近年才达到F-16过载水平的关键原因之一,就是从基础的座舱抗过载设计上歼-10就存在一定的差距;这使它必须在抗荷服等其它设备上获得更好的性能才能弥补劣势。

F-16的大后倾座椅对驾驶姿态和操作习惯改变非常大,飞行员难以正常使用设置在座舱中央的驾驶杆,而必须使用侧置的驾驶杆。由于和传统设计相差太大,我国军队对这种座舱布局一直抱有偏见,直到21世纪初空军航空医学研究所还有针对30度后倾座椅会不会针对记忆、辨识反应速度等认知能力形成负面影响的定性研究。在上世纪80年代,30度大后倾座椅在歼-10论证过程中不可能被军方接受也就容易理解了。

此外F-16的高抬腿设计也难以在歼-10上复制,它对驾驶舱仪表台尺寸的限制很大。F-16最初项目定位较低,只承担简单的昼间近距离格斗任务,机载设备较为简单;因此在取舍上偏重抗过载能力而牺牲了一部分仪表台安装面积,F-22就没有继承F-16的高抬腿设计。初始定位就带有完整中距空战能力、搭载繁多机载设备的歼-10对仪表台的安装面积要求要高的多——尤其是我国当时的航空电子水平有限,实现同样功能需要更大的设备体积和尺寸。

因为上述原因,虽然歼-10项目从预研起就把座舱抗过载设计作为重点之一,尽可能优化了飞行员的驾驶姿态,但终归未能突破传统座舱布局的限制;这使它的最终效果虽然明显优于苏-27,但和F-16相比还是有所不如。同时歼-10定型时配备的KH5抗荷服和KT8抗荷调压器(调节氧气面具和抗荷服的压力和流量变化)性能并不出彩,防护能力较低,使歼-10定型时只能达到6G持续30秒、9G持续10秒的水平。

KH5抗荷服采用的仍然是侧管结构,这出于长期使用仿制苏联早期产品形成的技术路径依赖。侧管式防护服是美国在上世纪40年代开发的,它在服装的躯干与肢体四周设置了充气软管,软管外面缠绕张紧带。一旦管子开始充气,张紧带就会收紧防护服布料,均匀勒压人体表面,提供外来压力。

西方三代机乃至于苏联后来开发的苏-27上,普遍使用的都是气囊式抗荷服,它通过气囊充气后的膨胀来直接挤压人体,施加体表压力。这种抗荷服有个极大的坏处,就是气囊本身不透气又要大面积覆盖人体,散热能力非常差;因此直到后来飞机的环控设备大幅度进步,可以为对防护服装内进行大流量的强制通风以后,它才得以广泛应用。而现代高性能战斗机之所以百分百配备气囊式抗荷服,则是因为它在减轻飞行员高过载下的加压呼吸疲劳方面具备压倒性的优势。

而现代高性能战斗机之所以百分百配备气囊式抗荷服,则是因为它在减轻飞行员疲劳程度方面具备压倒性的优势。飞行员加压呼吸的氧气往往要先进入防护服的充气管或者是气囊内,为防护服装提供压力。在气囊式防护服装中,飞行员吸气使胸腔扩张时,胸腹外部气囊的压力自然降低;而呼气使胸腔收缩时,胸腹外部气囊的压力自然增高。

这种胸腹外部压力变化的协调性,极大的减轻了飞行员进行加压呼吸时的胸腹肌肉疲劳程度。飞行员穿侧管式防护服时进行加压呼吸维持几分钟、十几分钟就会严重疲劳;而气囊式防护服不仅可以使飞行员耐受一个小时以上的加压呼吸,而且可以采用更高的呼吸压力、更大的氧气流量。

事实上歼-10近年抗过载能力突破的关键之一,正是一套全新的综合囊式抗荷系统;它最晚在2002~2004年期间,就由空军航空医学研究所等相关机构在实验室离心机试验中达成了主要性能指标的突破。新型综合抗荷系统通过KH7气囊式抗荷服与KT9抗荷调压器(增大了加压呼吸时的压力与氧气流量)组合提供了额外的4G防护能力,其中仅KH7抗荷服的防护能力就提升了0.5G。

现阶段歼-10的抗过载能力组成如下:在抗过载座舱的基础上,三代机飞行员不低于4.25G的基础抗荷能力 + 囊式综合抗荷系统不低于4G的防护能力 + 不低于2G的抗荷动作效果,实现了6.5G过载持续45秒、9G过载持续15秒的三代主流水平。

四.自主研发新型抗荷动作,反应我军训练水平奋起直追