彈射座椅的“黑科技”，飛行員最后的安全依靠

大連某航修廠工程師李明談彈射座椅的功效與設(shè)計(jì)原理——

飛行員最后的安全依靠孫暢 宋茹 孟金玲

前不久，美軍F/A-18E“超級(jí)大黃蜂”在進(jìn)行訓(xùn)練飛行時(shí)發(fā)生意外，戰(zhàn)機(jī)墜毀后碰撞地面引起爆炸，現(xiàn)場(chǎng)濃煙滾滾。幸運(yùn)的是，飛行員借助彈射座椅安全逃生。

戰(zhàn)機(jī)彈射座椅彈射瞬間。資料照片

作為飛行員最后的安全依靠，彈射座椅是一種可在緊急情況下，利用火箭動(dòng)力將飛行員彈離飛行器并使其安全著陸的航空救生設(shè)備。

二戰(zhàn)時(shí)，世界誕生了第一臺(tái)彈射座椅。此后，彈射座椅迅速推開。到今天，隨著科技進(jìn)步，彈射座椅已歷經(jīng)迭代發(fā)展，可滿足戰(zhàn)機(jī)在不利姿態(tài)和高速飛行狀態(tài)下的逃生需求，在最后的緊要關(guān)口為飛行員生命撐起了一道“安全屏障”。

火箭式秒速?gòu)椛?，飛行員的自救“神器”

在激烈的空中對(duì)抗中，戰(zhàn)斗局勢(shì)瞬息萬變，戰(zhàn)機(jī)飛行狀態(tài)充滿了許多不確定性因素。一旦戰(zhàn)機(jī)受損失控，飛行員就要以最快速度逃離飛機(jī)。

一戰(zhàn)中，飛機(jī)設(shè)計(jì)師為飛行員配備了降落傘，當(dāng)需要棄機(jī)逃生時(shí)，飛行員要自行打開座艙蓋，爬出座艙，跳離機(jī)身并打開降落傘，逃生概率比較低。

隨著軍用飛機(jī)升級(jí)換代，高速度、多姿態(tài)的飛行條件給飛行員逃生帶來了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)，傳統(tǒng)逃生方式受時(shí)間限制已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。直到二戰(zhàn)時(shí)期，彈射救生方式應(yīng)運(yùn)而生。

設(shè)計(jì)師在縮短逃生時(shí)間上花費(fèi)了大量精力。現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的彈射逃生動(dòng)作幾乎是一瞬間完成。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，從飛行員啟動(dòng)彈射座椅開始，到降落傘完全打開，僅需2.48秒。

那么，在如此短暫的彈射瞬間，彈射座椅怎樣才能保證飛行員順利自救呢？

慢鏡頭回放，我們發(fā)現(xiàn)，彈射其實(shí)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。

當(dāng)需要彈射逃生時(shí)，飛行員只需拉動(dòng)彈射手柄，點(diǎn)火機(jī)構(gòu)和火箭發(fā)射器在0.4秒時(shí)間就能依次完成啟動(dòng)，相當(dāng)于眨一次眼的時(shí)間。

在拉動(dòng)彈射手柄的一瞬間，座椅上的束縛裝置會(huì)將飛行員的身體緊緊地“綁”在座椅上，做好彈射啟動(dòng)的準(zhǔn)備，避免彈射時(shí)與座艙內(nèi)的設(shè)備碰撞。

與此同時(shí)，戰(zhàn)機(jī)會(huì)采用將艙蓋整體拋離或者爆破粉碎的方式，破除座艙蓋對(duì)彈射時(shí)的阻礙，為飛行員打開逃生通道，防止飛行員與艙蓋相撞。

當(dāng)這一系列彈射準(zhǔn)備動(dòng)作完成后，座椅才會(huì)通過彈道和火箭兩級(jí)動(dòng)力進(jìn)入彈射階段。

彈道彈射作為一級(jí)動(dòng)力會(huì)將座椅迅速?gòu)楇x飛機(jī)，而火箭彈射會(huì)將座椅帶到更安全的高度，確保飛行員與飛機(jī)保持安全距離，并保證降落傘能夠順利打開。

實(shí)現(xiàn)這一系列動(dòng)作都依托彈射座椅的“大腦”——程序控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出修正飛行軌跡的指令，確保人椅彈離到安全跳傘高度，再釋放穩(wěn)定減速傘，選擇最佳的人椅分離時(shí)機(jī)，安全打開降落傘。

彈射逃生到此就結(jié)束了嗎？當(dāng)然不是。

彈射座椅既要讓飛行員秒速出艙，還要保護(hù)飛行員安全著陸，并在等待救援過程中抵御各種危險(xiǎn)。

在著陸階段，飛行員的救生包會(huì)自動(dòng)打開，救生船自動(dòng)充氣，自帶的信標(biāo)機(jī)隨之發(fā)出求救信號(hào)。

安全著陸后，飛行員可以利用救生包內(nèi)的救生手冊(cè)、信號(hào)彈、口糧、海水脫鹽劑等幾十種野外救生物品進(jìn)行自救。

不僅如此，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，有的彈射座椅還配備了沙漠、寒區(qū)、熱帶叢林等不同地域環(huán)境的救生物品。這些救生物品幫助飛行員應(yīng)對(duì)各種惡劣環(huán)境，上演真正的“絕地求生”。

最復(fù)雜的設(shè)計(jì)工藝，最安全的逃逸系統(tǒng)

飛行是勇敢者的事業(yè)，從萊特兄弟發(fā)明第一架飛機(jī)開始，飛行夢(mèng)想與未知風(fēng)險(xiǎn)就如影隨形。當(dāng)飛機(jī)失控后，飛行員如何安全返回地面？一直以來都是設(shè)計(jì)師研究的重要課題。

早在18世紀(jì)中期，人類便嘗試撐起大傘從高塔上空跳下。1797年，法國(guó)物理學(xué)家加納林背著由柔軟織物編織而成的大傘從1000米高處跳下并安全著陸。

這一時(shí)期的空中逃生裝置設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，多用于商業(yè)表演，但這是降落傘的原型。一戰(zhàn)時(shí)，聰明的設(shè)計(jì)師利用降落傘挽救了大量飛行員的生命。

然而，到了二戰(zhàn)時(shí)，德國(guó)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)了這樣的問題：隨著戰(zhàn)機(jī)飛行速度越來越快，僅憑一具降落傘已經(jīng)不能保證飛行員安全。

他們得出結(jié)論，當(dāng)戰(zhàn)機(jī)飛行速度大于600千米/小時(shí)，飛行員從座艙內(nèi)部打開艙蓋異常困難。即使能夠打開艙蓋，飛行員背著沉重的降落傘從狹小駕駛艙中跳出的瞬間，遇上高速氣流無異于“迎面撞車”，若不幸被氣流吹至飛機(jī)尾翼，可能會(huì)受重傷甚至死亡。

設(shè)計(jì)師意識(shí)到，開發(fā)一種能夠讓飛行員在飛機(jī)高速飛行時(shí)盡快逃生的裝置迫在眉睫。

彈射座椅發(fā)明的前前后后，是人類與死神不斷抗?fàn)幍囊欢螝v程。實(shí)際上，彈射座椅的設(shè)計(jì)構(gòu)想源于一次意外經(jīng)歷——

二戰(zhàn)時(shí)，由于一次不當(dāng)操作，德軍掩體內(nèi)炸藥爆炸，幾名士兵被炸出七八米高，這次意外給設(shè)計(jì)師帶來設(shè)計(jì)靈感：能不能研制一款爆炸裝置，當(dāng)遇到險(xiǎn)情時(shí)，把飛行員“炸”出艙。

他們?cè)鴩L試使用高彈性橡皮筋作為動(dòng)力，但以失敗告終。直到1940年，在噴氣式原型機(jī)He-280上裝配了以壓縮空氣為動(dòng)力的彈射座椅，這是人類首次在2370米高空墜落得以幸存，實(shí)現(xiàn)了彈射座椅的“首秀”。但這款座椅有著彈射力度小、壓縮空氣儲(chǔ)氣瓶重量大、氣體易泄漏等方面缺陷，并沒有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

第一代彈射座椅問世于二戰(zhàn)后，它以彈道式彈射為原理，借助火藥威力，把人和座椅作為“炮彈”射出飛機(jī)座艙。但第一代彈射座椅彈射動(dòng)力有限，無法滿足低空彈射要求，不久便被淘汰。

為了解決低空彈射問題，國(guó)外某研究部門提出了“兩級(jí)彈射機(jī)制”方法，即當(dāng)彈射機(jī)構(gòu)將座椅彈到一定高度時(shí)，火箭包啟動(dòng)，把飛行員推向更高的開傘高度。于是，第二代彈射座椅問世，這一代彈射座椅引入了“零-零”彈射概念，在零高度、零速度的條件也能彈射，安全性顯著提升。

然而，只有“零-零”彈射還是不夠的。彈射座椅出艙后，相當(dāng)于一個(gè)小型、不規(guī)則的飛行器，一旦戰(zhàn)機(jī)飛行姿態(tài)不利，彈射方向便難以預(yù)測(cè)，甚至出現(xiàn)射向地面的情況，降低了飛行員的生存率。

聰明的設(shè)計(jì)師在第三代彈射座椅的研制中，采用了座椅穩(wěn)定系統(tǒng)、方向感知系統(tǒng)等設(shè)計(jì)，滿足多種飛行姿態(tài)下的逃生需要，安全性顯著提高，大名鼎鼎的俄羅斯K36彈射座椅便是這一代彈射座椅的代表。目前，該彈射座椅在蘇-30、蘇-27等戰(zhàn)機(jī)上普遍應(yīng)用。

隨著科技快速發(fā)展，火箭推進(jìn)器技術(shù)更加成熟。作為彈射座椅的主要?jiǎng)恿?，火箭推進(jìn)器產(chǎn)生的15倍重力加速度，能夠帶著重量高達(dá)上百公斤的部件實(shí)現(xiàn)彈射，這也是戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的裝置之一。

集“黑科技”于一身，軍用飛機(jī)的“私人定制”

彈射過程看起來只是短短一瞬間，但飛行員每次驚險(xiǎn)逃生的背后，都凝聚著設(shè)計(jì)師的智慧。

彈射座椅本身是一個(gè)涉及彈射操縱、穩(wěn)定減速、遠(yuǎn)距離點(diǎn)火等多個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜工程。要想彈射成功，程序控制、人椅穩(wěn)定、人椅分離等多個(gè)程序和相關(guān)的部件必須緊密配合、協(xié)同工作。

彈射逃生是一次驚險(xiǎn)旅程。在彈射瞬間，飛行員要承受約15倍的重力加速度，相當(dāng)于15個(gè)自己體重的力量作用在身體上，巨大的沖擊力會(huì)讓飛行員瞬間進(jìn)入眩暈甚至無意識(shí)狀態(tài)。此外，彈射過程中還要經(jīng)受低溫、高速、強(qiáng)氣流等重重考驗(yàn)。

受到各種“苛刻”條件限制，彈射座椅的研發(fā)難度非常大。不僅要確保在各種極端惡劣飛行條件下能夠正常工作，還要兼顧飛行員各種生理參數(shù)和裝機(jī)重量的多重要求。

在幾十年研發(fā)過程中，彈射座椅逐漸集合了空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等數(shù)十個(gè)學(xué)科，科技含量極高。想要制造出一部性能優(yōu)越的彈射座椅更是難上加難。目前，世界上只有少數(shù)國(guó)家具備獨(dú)立研制能力。

系統(tǒng)多、協(xié)調(diào)性強(qiáng)、機(jī)電一體化程度高是現(xiàn)代彈射座椅的主要特點(diǎn)。在多達(dá)數(shù)十項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中，彈射性能是最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。然而，想要通過地面試驗(yàn)?zāi)M空中高速飛行下的彈射狀態(tài)，難度可想而知。

設(shè)計(jì)師經(jīng)過多年研究，終于研發(fā)出一種模擬試驗(yàn)方法——火箭橇滑軌試驗(yàn)。

這項(xiàng)試驗(yàn)需要大型場(chǎng)地，滑軌軌道長(zhǎng)度要達(dá)到幾千米，通過精細(xì)的焊接制造，軌道精度精確到0.2毫米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的精度。

有了高科技試驗(yàn)設(shè)備，彈射座椅能夠在高精度軌道上模擬零高度、全速度的彈射效果。最后，通過高速視頻攝像機(jī)捕捉數(shù)據(jù)，依靠數(shù)學(xué)建模等一系列計(jì)算分析后，才能判定彈射性能是否合格。

目前，為了保證飛行員安全，集高科技、高性能于一身的彈射座椅已經(jīng)成為軍用飛機(jī)的“私人定制”。世界上幾乎所有戰(zhàn)機(jī)都配備了彈射座椅。

不僅如此，隨著飛行員空中逃生概率的提升，許多國(guó)家空軍對(duì)彈射逃生的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了“附加值”，讓戰(zhàn)斗經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員在空難中幸免于難，對(duì)空軍戰(zhàn)斗力提升有著極其重要意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大多數(shù)王牌飛行員都有過彈射逃生的經(jīng)歷，每次“劫后余生”都幫助他們成長(zhǎng)為“更好的飛行員”。