从实际飞行来说,飞机在高过载状态下一般会有15度以上的抬头迎角,也就是说30度后倾座椅在飞行中能够获得大于地面离心机测试中45度座椅的效果。这正是歼-10、FC-1等机型在传统座舱布局限制下尽可能改善抗过载能力的秘诀之一:将座椅后倾角度设计成略大于20度,既和传统座椅座椅相差不特别大,又能在飞行中形成接近40度的实际后倾角度,也能获得较为明显的抗过载能力提升。

虽然这种迎角的加成对于45度、65度座椅一样有效,但是座椅后倾角度太大也并不全是好事。第一个坏处是飞行员躺的太倒以后,座舱视野必然严重受限,这对于视距内的战斗非常不利;第二个坏处是座椅占据的纵向空间会大幅加大,对座舱设计来说很难容纳;而第三个坏处则更要命,它会严重加大弹射救生的技术难度和失败几率。

因此多数飞机设计师都认为,在抗过载能力与飞机总体设计之间取舍的最佳结果,就是采用30度左右的后倾座椅。这又带出了一个衍生问题:飞机最好使用侧置驾驶杆布局。

三.F-16侧杆设计不佳,歼-20侧杆可能类似阵风

飞行员大幅后倾以后,右手再要够着离裆部有一定距离(保证人身安全)的中置驾驶杆就很不顺手了。F-16为此采用了侧置驾驶杆,但因为设计年代太早,它在人机工程学上的性能远达不到网络上一些人无限吹嘘的程度,甚至可以用糟糕来形容,这正是当年我国军队抵制侧杆设计的关键原因之一。

F-16最早采用的是力信号回馈驾驶杆设计,飞行员完全扳不动驾驶杆,只能依靠右手握力的方向与大小来控制飞机。但是生理特性就决定了人对于力大小的敏感程度远低于对距离的敏感程度,尤其是在高过载下飞行员全身都要绷着劲,用力大小和方向就更难把握了。在后来批产时,F-16对于侧杆进行了改进,增加了位移信号回馈功能;飞行员终于可以把驾驶杆前后左右扳动了,但由于位移行程仅有3毫米,因此总的操控感仍然不理想。

因为驾驶杆的操控问题,F-16的驾驶培训难度偏高;在整个三代机范围中,F-16系列的培训时间、双座机比例一直都保持在特别高的水平。这不仅带来了很大的经济成本问题,也带来了服役早期频发的飞行安全问题:当美国人残暴凶狠的飞行训练传统遇上不易控制拉杆程度而又相当敏捷的F-16,一系列机毁人亡的事故就出现了。在事故原因的调查统计中,飞行员由于瞬间飞行过载达到12~13G导致晕厥,最终坠机的情况并非个例。

客观的说,要处理好高过载下仅用手腕控制的驾驶杆操控特性,达到力度、行程的最优化;实现既控制灵活又不易推拉过度,行程足够大又不易在高过载下诱发飞行员手腕疲劳、扭伤的效果,确实有较大的设计难度。恰好我国早年对于侧杆的认识几乎全部来自于F-16,很多人将F-16的设计不足当成了侧杆本身难以克服的缺陷——这甚至还包括了611设计所的部分设计人员,因此歼-10最终选择了大行程的传统中杆设计。

侧杆设计在后来的阵风和F-22等型号上得到了非常大的完善,尤其是阵风。法国在航空领域的人机工程、个人防护设备等方面造诣极深,不少方面还超过美国;比如阵风战斗机的飞行员抗过载防护系统中,它所采用的电子调节式抗荷调压器就比F-22的机械反馈结构产品要先进整整一代;不出意外的话,歼-20抗荷系统中的抗荷调压器也将进化为电子控制结构。除了驾驶杆的操纵品质非常出色以外,阵风的驾驶杆、油门杆的安装位置还刻意进行了大幅度增高;以彻底消除飞行员的手臂疼痛问题——这是中杆飞机所做不到的。

三代机飞行员在高过载下飞行时,会受到高重力与加压呼吸的共同作用,血液向静脉内大量沉积导致血管扩张,这种现象很容易使飞行员产生强烈的手臂疼痛。对于操作飞机时手臂位置一定会特别低的中杆布局三代机,这种现象尤其严重和普遍,对飞行员在空战中的注意力集中和操作动作准确性影响很大。JAS-39就出现过这种问题,后来专门改进了飞行员的抗荷服装,为手臂施加外部压力以缓解血管扩张的现象。在训练强度较大的歼-10部队中这一问题也比较严重,而且现在还没有针对性的手臂防护措施。

611所虽然在歼-10和FC-1两个型号的研制过程中都是采用中杆布局,但是对驾驶杆的力、位移双重耦合回馈设计却已经很有经验。尤其是FC-1的飞控研制过程中,如何使驾驶杆在能够同时协调电传与机械飞控的情况下仍然具有良好的操控特性,对于611所的人机工程水平起到了很大的锻炼作用。以611所的研制历史和一贯能力表现来说,在今天研制出媲美阵风的侧置驾驶杆设计并不算是奢望。而在侧杆和油门杆的基本布局上,采取类似阵风的高安装位置设计不仅理论上是最佳的选择,而且歼-10的实际飞行经验也证明了其必要性。

四.歼-20新抗荷系统将采用新型结构抗荷服

在航空史上,人类研制过很多种结构的抗荷服;这其中一部分已经被证明没有实用价值而被放弃,另一部分虽然性能前景看好,但是由于种种限制仍不能投入实用,只能继续在实验室中发展。比如堪称“丧心病狂”的阻断式抗荷服,它在飞行员大腿根部设置了高压环形气囊,通过在短时间内完全阻断下肢的血液循环可以获得2.6G甚至更高的抗荷效果;但由于飞行员对它带来的巨大疼痛实在是无法忍受,因此从未实用过。

再比如很多读者都对动画《EVA》中充满液体的驾驶舱印象深刻,其实它的原型之一来自于麦道公司一种始终未能实用化的“拟人防护服”综合防护系统。该系统将人体置于平齐颈部高度的液体中,借助液体不可压缩的特性,均匀的对人体表面施压,理论上可以达到超过7G的抗荷效果。

在上世纪四十年代,加拿大曾经研制过另一种水压结构的抗荷服。它在飞行员头部高度设置了水箱,在双层裤子中设置了一个充水夹层。在高过载时,裤子内的水压会同步增大,为人体提供1.7G的抗荷效果。因为使用起来太麻烦,水压抗荷服短暂装备后就被淘汰了,但这种技术仍在实验室中发展。早在90年代瑞士、德国、美国的联合实验中,类似的夹层结构充液服就完成了持续性12G过载试验,飞行员在9G下甚至还能完成吃东西的动作。