弹射救生技术的回顾与展望

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 弹射救生技术从上世纪中期开始应用于军机，到目前为止已发展有四代产品。伴随着军机性能的提高，如何扩大弹射座椅的性能包线，解决不利姿态条件下的救生问题，延展座椅对飞行员的适用范围，一直是人们不断追求的目标，而新技术的出现为此创造了条件 自1783年人类第一次实 现气球载人飞行后，便产生了航空应急救生问题。1903年美国莱特兄弟首次实现了动力飞行以后，在飞机失事时，如何挽救飞行员的生命便提上了议事日程。法国于1917年首先把降落伞用于军用飞机。 第一次世界大战期间，约有800名气球观测员从失事的气球上跳伞获救。第二次世界大战中，降落伞已成为军用飞机必备的救生工具。 随着飞机飞行速度的不断提高，只靠飞行员的体力爬出座舱跳伞逃生越来越困难。当飞机飞行速度达到500千米/小时时，飞行员必须借助外力才能应急离机救生。 二次世界大战快要结束时，德国首先把弹射座椅用作军用飞机飞行员的救生工具。战后，弹射座椅在英国、美国、俄国、瑞典等国迅速发展，成为高速军用飞机必不可少的救生设备。 据国外2003年统计数据，仅英国马丁·贝克一家公司，累计生产了各种型号的弹射座椅约69000台，挽救了6994人的生命，平均每10台座椅救活一名飞行员。 四个发展阶段 四代弹射座椅 第一代弹射座椅 弹射座椅发展的第一阶段大约从20世纪40年代中期到50年代中期。此间形成的第一代弹射座椅为弹道式弹射座椅，即利用滑膛炮的原理把人和座椅作为"炮弹"射出飞机座舱，然后使人椅分离打开救生伞。它主要解决了飞行员在高速条件下的应急离机问题。如英国的MK.1、MK.5，俄国的米格-15、米格-17飞机上的弹射座椅等。 英国的马丁·贝克飞机公司是这一时期的典型代表。该公司首先使弹射过程自动化。为了提高弹射机构离机的初始速度，研制了多级套筒或多弹式弹射机构，为挽救飞行员做出了贡献。 在其他国家，如前苏联的米高扬飞机设计局也设计出许多弹道式弹射座椅。如米格-21飞机的带离式"CK"弹射座椅，利用弹射时座椅与座舱盖的扣合使最大速度可达到1200千米/小时。 第二代弹射座椅 弹射座椅发展的第二阶段大约从50年代中期到60年代中期。这一时期的弹射座椅为火箭弹射座椅。它的主要特征是把火箭作为弹射座椅的第二级动力，在第一级动力弹射机构作用下把人椅系统推出座舱后，再由火箭继续推动人椅系统向上运动，使其具有更高的轨迹，以解决0-0弹射救生的问题，并可以在更高的飞机飞行速度（1100千米/小时）下应急弹射离机。 美国塔利（Talleg）公司把弹射机构和火箭发动机组合在一起形成火箭弹射器，具有两级动力，体积小、重量轻，直到目前为止，仍是美国弹射座椅（如ACESⅡ）的主要动力装置。 英国马丁·贝克公司采用了另一种组合形式，把火箭发动机和弹射机构分开安装，弹射机构保持原来的位置和形式，而把火箭包设计成多管并列的扁平组合体，安装在椅盆下面，即通称为椅下火箭包（简称为火箭包）。这种组合形式实现起来难度不大，目前是英国马丁·贝克公司弹射座椅的主要动力形式。 在这一时期，美国为了解决超音速弹射救生的问题，投入了大量的人力，物力，参加的公司也很多。例如，罗克韦尔国际公司研制的X-15敞开式弹射座椅，利用向前伸出的激波杆，把正冲波变成为斜冲波，以减小作用于人椅系统上的压力。可在33. 6千米、 M=4.0以及在0高度，167千米/小时的平飞状态下安全救生。又如,美国洛克希德·马丁公司研制的SR-71弹射座椅曾在23774米的高空，在M数大于3.0时，拯救过飞行员。这种座椅在改装后曾用于美国"哥伦比亚"号航天飞机试飞员的应急救生设备。 另一类的超音速救生设备为密闭式弹射座椅和分离救生舱。其中以美国斯坦利航空航天公司为B-58轰炸机研制的密闭式弹射座椅最为成功，而分离救生舱以麦道公司研制的F-111分离救生舱最为成功。 F-111救生舱不但具有0-0救生性能，而且在海平面超音速到18500米高度以上、M=2.5的飞行条件下都具有救生能力。 统计数据表明，密闭式弹射座椅的救生成功率低于敞开式弹射座椅，而分离救生舱的救生成功率与敞开式弹射座椅大体相当，但由于这两种救生设备的重量大（例如，B-1轰炸机采用分离救生舱与采用敞开式弹射座椅相比，飞机重量增加2268千克），成本和维护费用大，因而未得到广泛应用。 第三代弹射座椅 弹射座椅发展的第三阶段大约从60年代中期开始一直持续到今天，属于多态弹射座椅的发展时期，其主要特点是采用了速度传感器（电子式/机械式），根据应急离机的飞行速度的不同，救生程序执不同的救生模式，从而缩短了救生伞低速开伞的时间，提高了不利姿态下的救生成功率。国外现役机种装备的弹射座椅绝大部分为第三代弹射座椅。 目前装机服役的第三代弹射座椅以俄K-36系列、美ACESⅡ系列、英NACES（MK-14）和MK-16为代表。 K-36系列弹射座椅为俄罗斯星星科研生产联合体于60年代中期研制成功的第三代弹射座椅，目前已生产12000多台，并形成了独联体各国的通用化系列座椅，其突出特点是稳定性和高速性能。根据俄罗斯资料报道，在飞行高度为1000米，当量空速为1350千米/小时的条件下，飞行员仍能应急弹射成功。尤其是在1989年巴黎航展期间，一架装有Ｋ-36座椅的米格-29飞机在作机动飞行表演时，因发动机故障造成飞机失速，在极其不利的条件下，飞行员应急弹射成功，安全获救，使Ｋ-36系列救生装置名声大振。 20世纪90年代初期，俄罗斯星星联合体在Ｋ-36的基础上研制出了Ｋ-36Д-3.5弹射座椅。这种弹射座椅水平飞行的性能包线与Ｋ-36系列座椅相同，而在不利姿态条件下的救生性能有了很大的改进。例如，飞机飞行速度为278千米/小时，倒飞的最低安全高度从原来的95米降低到46米。主要改进之处是：采用了电子程控技术，可控推力技术，火箭发动机倒飞切断技术，横滚姿态控制技术，使Ｋ-36Д-3.5初步具备了第四代弹射座椅一些特征，目前已装机服役（如苏-30，苏-37），并参与了美国ＪＳＦ飞机的竞标。 ＡＣＥＳⅡ是麦道公司于20世纪70年代末研制成功的第三代弹射座椅，目前已生产10000多台，成为美国空军的系列化座椅。该座椅装机服役以来，经过不断改进，性能有所提高。 在越南战争期间，美国为了减少飞行员应急跳伞后被越南军队俘虏的危险，曾投巨资研究各种救生方案，如飞行座椅，热气球空中救生系统（ＰＡＲＤ）以及空中回收系统等，后来，由于越南战争结束，这些方案未得到实际应用。 NACES（MK-14）是英国马丁·贝克公司为美国海军研制的通用化座椅。装机服役后，便开始了PI（预规划产品改进）计划，该计划的第三阶段计划利用第四代弹射座椅的技术，使NACES具备第四代弹射救生座椅的基本特征。 MK-16系列座椅是英国马丁·贝克公司于20世纪90年代初研究的新式弹射座椅。 MK-16系列的主要特点是弹射机构与座椅骨架为一体化设计，不仅重量轻，而且结构紧凑，电子程控器既能感受离机后的信息，也可以与飞机数据总线相接，感受飞机的各种信息，以实现自动弹射离机。目前已装机服役EF-2000，法国阵风，美国JSF（F-35）等机种。 第四代弹射座椅 第四阶段弹射座椅的发展实际始于70年代末期，因而与第三阶段的后期相互交织在一起，平行地向前发展。它的主要特点是实现人椅系统离机后的姿态控制，其关键技术是可控推力技术和飞行控制技术。 第四代弹射座椅实质上是一个自动飞行器，主要解决高速弹射救生和不利姿态下的救生问题。由于第四代弹射座椅的关键技术风险性很大，虽然经过了二十多年的研究（如MPES计划、CREST计划、第四代弹射救生技术的验证计划等），取得了很大进展，但至今尚未装机服役。 20世纪70年代末，美国的第三代弹射座椅ACESⅡ装机服役之后，便开始了第四代弹射座椅的研制工作，称它为最高性能弹射座椅（MPES）计划。该计划采用了可改变推力方向的球形火箭发动机和微波辐射技术，感受天地之间的温度差，指令改变推力方向，使座椅自动导向，其技术是先进的，但是当时的微波辐射技术还不够成熟，风险性太大，致使该计划难以转入型号研制。 1984年美国又开始了为期五年的乘员弹射救生技术（CREST）计划，目标更加先进，其宗旨是研制出一些先进技术，如高速气流防护技术、可变推力（方向和大小）技术、飞控技术、生命威胁逻辑控制技术等，以减少乘员弹射的死亡和重伤的概率。 为了试验验证CREST计划，又开展了多轴滑车（MASE）和先进动态模拟假人（ADAM）研制计划。 CREST计划基本上是成功的，部分关键技术（如滞流栅网等）已证明是成功的，为该计划配套研制的试验设备（如MASE、ADAM等）对以后的弹射救生技术发展将有很大的推动作用。但是，CREST计划的核心技术（变推力大小和方向的可控推力技术和飞行控制技术）还不够成熟，技术上的风险太大使CREST计划没能转入工程研制。 为了解决CREST计划出现的问题，美国于1993年又开始了第四代弹射救生技术验证计划。该计划重点解决可控推力技术和飞行控制技术。经过地面10次火箭滑车验证试验，证明针栓式可控推力技术和惯性导航飞控技术是可行的，目前已具备转入型号研制的水平。 ACESⅡ和NACES座椅的PI计划将采用第四代弹射救生技术验证计划已验证的关键技术提高座椅的性能，使之具有第四代座椅的基本性能。 我国对弹射救生技术的研究起步较晚,20世纪50年代到60年代末期,主要是生产前苏联的弹射座椅,如米格飞机系列的弹射座椅等，直到70年代初期才开始第二代火箭弹射座椅的研制,目前自行研制的第三代弹射座椅已装机服役。 展望 加强第四代弹射救生技术的应用 英、美等国现役弹射座椅的名义性能包线为：在平飞条件下，飞行高度0～15000米，飞行速度0～1100千米/小时，M≤2.5。而实际上,在速度高于550千米/小时弹射时，约有43%的弹射者死亡或受重伤，在速度高于千米/小时弹射时，约有69%的弹射者死亡或受重伤，迄今为止尚没有1100千米/小时成功弹射的事例。俄罗斯K-36系列座椅的高速性能比英美等国的要好。 虽然和平时期高速弹射的概率较小（约1～2%）但在战争时期将会大大增加。显然，这是一个不可忽视的问题，根据第四代飞机性能总体的要求，应把下一代弹射座椅的性能包线扩大到1300～1400千米/小时，M≤3.0。 目前美军标MIL-S-9479和MIL-S-18471对弹射座椅在不利姿态条件下的救生性能要求，满足不了第四代飞机（如F-22等）性能的要求，要求下一代的弹射救生座椅能够在以下不利姿态条件下安全弹射救生：机动加速度：纵向分别为+9g和-3g；侧向为±3g；机动速率/姿态：俯仰，偏航和横滚速率大于360°/秒；在飞行速度830千米/小时时，有20°的偏航姿态。 同时，飞机的损坏，往往会更加恶化每次弹射时的状态。对于舰载机，垂直短距离起落（VSTOL）的飞机，上述环境还会进一步恶化。 现役弹射座椅的另一个问题是飞行员的范围不断扩大。现役弹射座椅是按第5～第95百分位飞行员进行设计的。从目前发展趋势来看，不但要把乘员的适用范围扩大到第3～第98百分位，而且还要考虑到女性飞行员的范围。例如，原来飞行员体重为60～90千克。目前有可能扩大到42～111千克，从而增加了弹射座椅的研制难度。 扩大乘员范围不仅使人体重量范围扩大，人体尺寸范围增加，同时也使人体重心分布范围和惯性矩范围大大增加。另外女性飞行员对弹射加速度的耐限值比男性的要低。这些不利因素对弹射救生系统的研制提出了新的挑战。 目前英美等国已开始对现役座椅NACES（MK14）和ACESⅡ进行改进工作。计划把已验证的第四代弹射救生技术工程化，使现役座椅具备第四代弹射座椅的基本性能，预计在5～10年内可装机服役。 采用新技术改进座椅的性能 除了已验证的第四代弹射救生技术外，还有一些先进技术即将用于弹射座椅的研制，例如，脊椎预加载弹射机构、激光和光纤技术、微波辐射技术、系统仿真技术、计算流体动力学（CFD）技术、胶质推进剂等。 美国LME公司研制的脊椎预加载弹射机构纵向分别为+9g和-3g；侧向为±3g的机动飞行条件下，可满足42～111千克裸重乘员范围的安全弹射要求。 胶质推进剂和针拴式固体推进剂火箭发动机都是为第四代弹射救生技术验证计划而研制的。 两种方案都可满足第四代弹射座椅的可控推力的要求，后来由于传统习惯于使用固体推进剂，而最终选取了针拴式火箭发动机方案。但是胶质推进剂与固体推进剂相比，仍有不可替代的优点，例如可利用高压气体使胶质推进剂液化后与氧化剂进入喷管时产生自燃。总之胶质推进剂仍具有发展的潜力。 20多年前美国的MPES（最高性能弹射座椅）计划曾利用微波辐射技术改变推力方向，由于当时该技术还不成熟，因而未进入工程研制。 随着技术的不断发展，这项技术已达到了实用阶段。美国开始探讨把这项技术用于弹射座椅的可能性。这是一项无源姿态信号技术，其优点是不需要发射机，减少了一些零部件，增加了可靠性，降低了成本，可在任何高度上工作。 目前国外正在研究把激光和光纤技术用于弹射座椅信号传输系统的可能性，并取得了很大的进展。激光和光纤信号传输系统重量轻，性能裕度大，有现成的商品可供选用，而不需要投资研制新激光和光纤产品。 为缩短研制经费，减少试验次数，弹射救生系统的研制已开始采用系统仿真技术和计算流体动力学（CFD）技术。 其他方面的新技术还有新材料（如复合材料、高强度的特纺材料等），新工艺等。这些新技术、新材料、新工艺的应用，将进一步推动弹射救生技术的发展。 降低研制成本，提高弹射座椅的可采购性 为使弹射座椅装机服役后不仅要有用、好用，而且要能用得起，需注重产品的可采购性研究。英国马丁·贝克公司研制的座椅先进程控器称已经利用了商用货架产品，降低了成本。美国为ACESⅡ改进方案研制的多轴姿态控制装置（MAXPAC）也采用了这一方案。 美国弹射座椅通用规范MIL-PRE-9479D（1996年版）对环境试验方法和金属零件的工艺处理要求已不再强调应用原先的军用标准，而引用了美国航空无线电技术委员会（RTCA），美国机动车工程委员会（SAE），美国材料与试验协会（ASTM）的通用要求。在不降低弹射座椅产品质量的同时，使之溶入商业产品的市场经济中，进一步降低研制和生产成本。 扩大弹射救生技术的应用领域 以前的弹射救生技术主要用于高速飞行的军用固定翼飞机，随着弹射救生技术不断的发展，预计今后将向武装直升机、民用飞机以及载人航天飞行器等领域发展。 伊拉克战争表明武装直升机的作用越来越重要，但其救生成功率不能令人满意，目前仅靠适坠座椅难以满足直升机救生的要求。 俄罗斯卡-50武装直升机已装备了牵引火箭式弹射救生系统。预计今后将加大研制直升机救生系统的力度。 20世纪70年代末，英美等国曾为民用飞机的救生问题设想了很多方案，例如分离救生舱、牵引火箭座椅、飞机整体回收等。由于当时的技术还不够成熟，再加上这些方案对飞机的性能、重量、成本等影响太大，这些方案难以工程化。 随着技术的不断发展，民用飞机的救生问题将会得到逐步解决，可以预计，小型民用公务机的整体回收或分离救生舱方案将有希望得到实际应用。 自从1961年前苏联首次实现载人航天飞行以来，航天救生便提到了议事日程。 1986年1月28日"挑战号"航天飞机失事后，航天救生的问题曾一度引起人们的高度重视，并提出了很多救生方案，如分离救生舱、密闭式弹射座椅、敞开式弹射座椅、牵引火箭式救生系统等，由于当时服役的航天飞机不可能变动太大，所以最后选用了滑杆式救生方案，这种方案救生包线小，只适用于低速飞行状态。 2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机失事，造成了7人遇难，从而说明航天飞机的救生问题急待解决。预计，分离救生舱有希望成为下一代载人航天飞行器的救生装置。 我国弹射救生技术经过了几十年的努力，已经跨入了独立研制弹射救生设备的行列，自行研制的第三代弹射座椅已装机服役，并已开始第四代弹射救生技术的预研工作。但与国外先进弹射救生技术相比还有很大差距。为了缩短与国外的差距，必须选准突破口，加大投资强度，研制出具有我国知识产权的先进救生系统，以实现跨越式发展。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/11/2004)