逃命的學問：飛機應急逃生系統

隨著飛機的飛行速度越來越快，傳統的人力逃生已經變得不可能，於是彈射逃生技術應運而生，為拯救飛行員性命做出了巨大貢獻。

　　彈射救生技術是為了在飛機無可挽救的情況下，用於保障飛行員的安全。隨著飛機性能的不斷提高。它在航空領域中的作用日趨重要。

　　在早期空戰發生應急情況後，飛行員唯一的救生裝備就是救生傘。飛機的飛行速度超過250千米/小時，飛行員在座艙內向外跳傘，需要具備熟練的技巧和經驗。並要花費一定的時間和較大的體力才能離機。隨著飛機速度的增加，離機的阻力增大，花費的時間也會增多。

　　飛機的飛行速度達到400千米/小時，這種靠人體自身應急離機的方法就不行了。原因有兩點：第一，在錶速大於400千米/小時、氣流阻力為250千克離機時。僅憑人的體力很難克服：第二，在這種速度下，氣流可急速將飛行員吹走，使人體與機翼、水平尾翼或垂直尾翼相撞，從而造成對人體的傷害。此外，當飛機處於低空200米、速度超過400千米，小時的條件下，如果沒有彈射救生裝備，就很難保全飛行員的生命。

　　非洲軍團最好的飛行員——「非洲之星」馬爾塞尤，他就是因為跳傘逃生時不慎撞上Bf-109的尾部而喪生的，只要條件允許，當時的飛行員大多喜歡將飛機倒扣，依靠重力幫助自己脫離飛機

　　破解四大難題

　　20世紀40年代中期。德國首先把彈射座椅作為軍用飛機的救生裝備。為了使彈射救生技術不斷完善。在血的教訓的基礎上。經過理論上的探索，解決了以下幾大難題。

　　將人/椅彈離飛機一定的高度

　　Do-335「箭」式截擊機，看到這尾巴上的巨型「絞肉機」，恐怕沒有哪個飛行員指望能從這樣一架飛機上跳傘逃生，所以納粹德國開始設計一種能夠幫助飛行員躲開這種危險的全新逃生裝置

　　為了使人/椅順利離開飛機，通過彈射力將人/椅從座艙內彈出，並保證人/椅在飛機上方通過，不會碰撞飛機垂直尾翼等部位。而且火藥的噴射力不會傷及人/椅。

　　彈射人/椅時，作用於人體過載應適度

　　最早設計的一種彈射裝置，是由特殊作動筒中燃燒的火藥把人/椅以一定的速度從飛機座艙中彈出，產生的過載不超過人體耐受極限。

　　著名的「寡婦製造者」F-104戰鬥機，M3的高速加上高聳的尾翼，早期F-104的彈射座椅裝藥量不足導致不少人喪命在這柄「砍刀」上

　　要使人/椅安全通過飛機垂直尾翼上方，所需的彈射速度是相當大的，在15～18米/秒範圍內；再者。人/椅在座艙內彈出後的軌跡非常短；所以，彈射的加速度非常大，可為150～200米/秒2，持續時間為0.12～0.18秒。當初速為零、終速為16米/秒、增速路程為0，8米時，其平均加速度為160米/秒2，過載達到16.3g。也就是說，人/椅彈出飛機座艙時，作用于飛行員身體上的平均力量比他的體重大16.3倍。舉個例子來說。一個體重90千克的飛行員，作用其身體上的平均力量可高達1470千克。如果飛行員以正確姿態坐在座椅上，還是能夠承受這種過載的，因為作用時間非常短，只有0.12～0.18秒。

　　「地球上最快的人」——斯塔普博士，正在用自己試驗高達46G的過載，他的獻身精神為後世的航空救生技術發展做出了莫大貢獻，注意他的臉部已經充血

　　過載對人體生理的影響

　　為了彈射救生的安全可靠，必須了解過載對人體生理的影響。

　　當過載對人體軀幹作用時間過長時，會引起血液大量流動。如果過載對人體作用時間超過1秒以上，就會破壞人體血液循環。作用時間少於0.5秒。由於血液的慣性，血液循環的破壞還來不及損害人體組織。所以，容許過載的大小取決於作用時間。就是說，過載延續時間愈長，愈難忍受。如坐在座椅上的飛行員。當過載是「頭一骨盆」的方向，過載作用時間為1秒鐘時。人體能承受過載7～8g；若過載作用時間為0.2秒，則人體能承受的過載為18～20g。人體在承受大過載時，就像受到一種衝擊，使全身振動，尤其是頭部與軀幹。

　　當過載作用時間超過0.5～1.0秒時，它的作用方向就很重要，因為血液從人體腦部向下流。人體能承受較大過載；若血液從人體下部流向腦部。則人體只能承受較小過載。

　　為使飛行員能承受較大過載。最好過載能逐步地增加。

　　彈射時氣流(速壓)的影響

跳傘過生日的老布希，注意嘴角正被強氣流撕扯，高速戰鬥機飛行員面臨的風速比這還要強數倍

　　從飛機應急彈射救生開始，氣流會給予人/椅一種壓力，不克服這種壓力，人/椅是不可能彈離飛機的；而且氣流還會對飛行員的臉部、呼吸道造成傷害以及損傷頭盔、服裝等。

　　氣體的壓力隨著飛行錶速的增大而增加。其變化見下表：

　　·空氣中的灰塵可能損壞臉部和眼睛；

　　·呼吸感到困難和異常。可能損壞呼吸器官；

　　·氣流可以帶走人體皮膚大量的熱量，使人體感到驟冷。

　　·氣流可移動或吹掉與飛行員生命攸關的頭盔與供氧面罩；

　　·飛行員穿的抗荷服或代償服可能被損壞而失去保護作用：

　　·當錶速超過600千米/小時。氣流能把飛行員的腳從腳蹬板上吹掉；如果錶速超過700千米/小時，可能引起飛行員膝骨關節韌帶伸長；如果錶速超過1000千米/小時以上。飛行員的頭部、四肢都需要防護和固緊。

　人/椅怎樣彈射救生

馬丁·貝克Mk12H彈射座椅

　　人/椅彈射救生系統有單座彈射、串列雙座彈射和並列雙座彈射之分。為了了解人/椅怎樣彈射救生，這裡先簡要介紹彈射座椅的一般構造。

　　彈射座椅一般由骨架、椅盆、頭靠和椅盆升降機構等部分組成。座椅上還裝有應急離機使用的彈射操縱系統、彈射動力系統、安全帶系統、穩定系統、人/椅分離系統、降落傘系統、應急供氧系統和救生包裝置等。

　　在很長的一段時間內，人/椅完全依靠彈道式彈射器(彈射筒)彈離飛機，這種座椅稱為彈道式彈射座椅。這種完全依靠彈道式彈射器的彈射座椅可將人/椅彈離飛機並越過飛機垂尾。同時又能保證飛行員不會因為過大的彈射過載而受到傷害。隨著軍用飛機速度的提高，彈道式彈射座椅已不適用。於是火箭彈射座椅應運而生。1958年，美國人率先在彈射座椅上採用了彈射火箭，即將一枚火箭發動機與彈道式彈射器組合在一起。稱之為火箭彈射器。其原理是以彈道式彈射器作為初始的助推段，迅速將人/椅彈離飛機。繼而以彈射火箭作為續航段動力，繼續提升人/椅高度，以確保越過飛機垂尾，並達到安全開傘的高度。而其彈射過載又不會過大。人/椅離機後的穩定一般依靠穩定傘，飛行員的安全降落則依靠救生傘。

　　彈射座椅按彈射方向分為向上彈射座椅和向下彈射座椅，但一般都採用向上彈射方式。而早期的圖22飛機就是從底部向下彈射出座椅的。

圖-22的彈射救生機構，機組成員是向下彈射的

　　從飛機底下彈出。沒有飛過尾翼的問題，所以彈射的過載比向上彈射的過載要小得多。但是。這種彈射方法不是所有飛機都適用。因為飛行員的下方經常安裝有各種設備，彈射離機時飛機飛行高度不能太低；另外，其過載作用方向是「從腳到頭」，很不利於飛行員的生理健康。

當年實驗中的殲10配套的HTY-5型彈射座椅彈射瞬間

　　火箭彈射座椅應急離機向上彈射的過程是這樣的：飛行員拉動彈射手柄，首先拋掉座艙蓋，安全帶系統和彈射動力系統隨即啟動。彈射彈擊發後推動座椅上升，而安全帶系統工作後，飛行員的肩帶被拉緊，其兩腿收回並固定；護臂裝置展開以限制雙臂偏擺，並將飛行員肢體定位鎖緊，以避免飛行員在彈射和高速氣流吹襲後受傷。座椅彈射出艙後。穩定系統射出並展開，座椅遂穩定和減速。在座椅降到規定的、能安全釋放降落傘的高度和速度後，分離系統打開安全鎖，人/椅分離。並拉出降落傘。飛行員乘救生傘著陸。 單座飛機在低速飛行遇到應急情況時，使用目前比較通用的打開座艙蓋鎖，由氣動力和冷氣或火藥燃氣拋放座艙蓋的方法，往往需消耗0.5秒的時間。只有在這段延遲時間之後，人/椅才能彈離，以避免在空中與座艙蓋相撞。在低空應急時，這段延遲時間可能會影響到人/椅彈射成功。

　　串列雙座飛機在遇到應急情況時，通常是后座先拋蓋、人/椅彈射；然後是前座拋蓋、人/椅彈射。以某雙座教練機聯動拋蓋彈射試驗結果為例：要使與飛機脫離的前、後艙蓋和人/椅在彈射後互不干擾，就得使前座人，椅在后座艙蓋拋放1.486秒之後才能彈射。在這極短的時間內。失事飛機飛行高度的損失達40米，這將嚴重影響降落傘正常開傘的高度，從而危及飛行員的生命安全。為了提高人/椅彈射成功率，總是希望盡量縮短彈射之前拋蓋的時間，於是出現了穿蓋彈射。這種方式對飛行員來說，會有較高的脊柱損傷概率及體表或裝備刮傷的概率。28頁所示為彈射座椅穿蓋試驗。

　　「鷂」的美國近親，AV-8B的座艙，飛行員頭頂艙蓋上的白色條紋就是穿蓋逃生時用於爆破玻璃的爆炸索

　　另外，多年彈射試驗證實，穿蓋彈射比拋蓋後彈射的穩定性要好，增加了彈射成功的可靠性。

　　20世紀70年代出現了一種新技術，就是在飛機座艙蓋玻璃上敷設微型爆炸索。當座椅一開始向上運動時。就立即把座艙蓋玻璃炸碎。為了使座艙蓋玻璃大部分能夠提前破碎。目前多半是在艙蓋玻璃上部和周圍敷設微型爆破索。

　　串列雙座飛機艙蓋的微型爆破索炸掉艙蓋玻璃後，后座艙玻璃先被炸掉，后座飛行員離艙，可以避免燒傷前座飛行員。前後艙彈射時差波動範圍為200毫秒。但這對前座艙飛行員而言，離機時間的延遲意味著救生時間的減少。而兩座椅彈射離機時間間隔越小，在飛機低速飛行時兩座椅軌跡相互干擾的可能性就越大。最可能的情況是：人/椅分離之後，後艙的空座椅追趕前艙的人/傘系統並與人相撞。鑒於上述原因。採用火箭發動機向座椅提供側向推力，使兩座椅彈射軌跡向側向延伸。而散發火箭在彈射座椅上的應用，顯著地提高了串列雙座彈射救生系統性能。

　　巴黎航展上那架倒霉的蘇-30成了俄制彈射座椅的最佳廣告，這個瞬間後艙駕駛員已經彈至畫面最左側，前艙駕駛員的彈射火箭剛剛將飛行員推出座艙

　　並列雙座椅應急同時離機，採用火箭發動機向座椅提供側向推力，右座椅向右側發射。左座椅向左側發射。發射火箭位於椅盆下的左側，則座椅右向發射；發射火箭位於椅盆下緣的右側，則座椅向左發射。由座椅上的電點火線路提供點火信號使發射火箭點火。在零一零雙座椅彈射時，兩座椅彈射可側向達到30米距離。

　　現代彈射座椅能在0～25千米飛行高度和0～1200千米/小時空速的飛行包線內有效工作。在飛機平飛狀態具有零高度一零速度救生性能。但在俯衝、橫滾、高下沉速度等飛行狀態。仍需要一定的離地高度，稱之為最低安全救生高度。據統計，彈射座椅平均救生率大約為80％。

林林總總的救生裝備

　　牽引救生裝置

火箭牽引式逃生系統現在常用在載人航天器上，圖為「神舟」飛船逃生試驗

　　牽引救生裝置是在緊急情況下。用火箭將飛行員牽引離機並安全降落到地面或水面的航空救生設備。又稱揚基救生系統。1967年開始用於輕型軍用飛機。牽引救生裝置主要組成部分包括：起動機構、火箭發射器、牽引火箭、牽引繩和降落傘等。

　　牽引救生裝置與彈射座椅救生的不同之處在於：牽引火箭只牽引飛行員離開座艙，座椅仍留在飛機上。有些飛機上乘員座位旁沒有應急艙，應急時牽引救生裝置必須移動到救生艙門處，首先爆開艙門，再啟動牽引裝置；多乘員的救生可在同一艙門處依次進行，這屬於移動式牽引救生裝置。

　　20世紀70年代末，開始研究將牽引救生-裝置用於直升機。大體上有兩種辦法：一是側向牽引離機，飛行員啟動(或拋掉)直升機側嚮應急艙門，通過牽引火箭將飛行員牽引出艙，離開直升機一段距離後。牽引繩和火箭與飛行員分離，救生傘張開。二是向上牽引離機，向上牽引前，首先將旋翼漿葉拋離，隨後啟動「火箭引導一降落傘」系統。

　　在飛機做超聲速飛行中採用敞開式彈射座椅，如果沒有良好的防護措施會導致飛行員傷亡。早在1946年，有遠見的專家們就曾考慮用密閉式救生裝置解決這個矛盾，但實際的研製工作在上世紀50年代初才開始。1950年，美國古德伊爾公司為美國海軍研製出第一個救生艙，但沒有得到採用。蘇聯蘇霍伊設計局於1949年開始超聲速戰鬥機蘇-17的研製時，在分離座艙的設計中，曾考慮利用炸藥使包括座艙的機頭部分與機體分離，分離的機頭減速後，再利用彈射座椅救生。但由於種種原因，該方案也未能實現。

　　後來，經過技術的發展，在飛機上實際使用過的密閉式救生裝置有下列三種不同式樣。

　　1。艙蓋帶離彈射座椅。這種裝置由彈射座椅加座艙蓋構成。彈射時，艙蓋在飛機上的連接鎖扣被打開。並隨著座椅的上升扣在座椅上；飛行員則處於艙蓋與座椅之間。可以免受迎面氣流吹襲。座椅穩定減速後，艙蓋按程序自動拋掉。接著，人/椅分離，救生傘展開。飛行員乘傘安全著陸。這種艙蓋帶離彈射裝置曾用在蘇聯早期的米格21飛機上。由於其低-空救生性能差，飛機平飛時的安全救生高度需要110米，後來的米格21改型飛機就改用了敞開式火箭彈射座椅。

B-58的膠囊型彈射座椅

　　2。密閉彈射座椅。該座椅的外形與標準的彈射座椅差別不大，安裝在飛機的駕駛艙內。正常飛行時，密閉門是敞開的，飛行員可以正常操縱飛機。應急時，密閉門首先關閉，把飛行員密閉起來。然後再拋掉飛機艙蓋。靠火箭推力把座椅推出飛機。密閉座椅進入大氣以後，首先穩定減速，接著打開降落傘；飛行員則一直坐在座椅上，安全降落後飛行員才打開密閉門離開座椅。如果在陸上降落，座椅底部的減震氣囊起緩衝作用；如果在海上降落，該座椅還備有飄浮氣囊，保證座椅能在海上飄浮。這種密閉式座椅只容納一名飛行員，多座轟炸機要像配備一般座椅那樣，給每個乘員各配備一個。這種密閉座椅由美國斯坦利航空公司研製。並用於B-58和×B-70轟炸機上。1963年，美國空軍的愛德華·默里乘B-58飛機在6100米上空對這種裝置進行了真人試驗並獲得成功。這種裝置雖然能保護飛行員免受高速氣流及高空的低壓、缺氧和低溫的影響而適合於高空高速救生，但它和艙蓋帶離彈射座椅的方法一樣，存在著低空救生性能不足的缺點。據各國飛機彈射救生事故的統計表明。大量的應急彈射救生是在低空進行的，即使在上世紀60年代以來飛機的速度和升限有很大提高的情況下，仍保持著這種趨勢。而密閉座椅總的救生性能還不及敞開式彈射座椅，其救生成功率的統計數僅為62％，因而在後來的新飛機設計中未被選用。

F-111的整體式逃生系統

　　3。分離座艙。最初出現的分離座艙是美國為F-8U和F-104等飛機設計的，其分離部分是帶有機頭部分的座艙段。只進行過一系列試驗而未被採用。1961年，又開始了F-111分離座艙的發展工作。也做了大量的地面、水上和空投試驗。這種分離座艙不帶機頭部分，而只包括駕駛艙在內的一部分前機身。1964年進行了首次飛行試驗。在1967年10月的一架F-111試驗機發生緊急事故中，第一次使用了這種分離座艙，兩名飛行員得救。

　　上世紀70年代初，美國又為B-1A轟炸機設計了一種類似的分離座艙。該艙包括艙身、分離切斷裝置、火箭動力系統、穩定面和穩定傘、回收傘、著陸緩衝裝置和水上飄浮裝置。其工作程序由程序控制系統自動完成。

B-1A的整體式逃生系統做得更徹底，將整個座艙「連根拔」

　　當乘員啟動彈射操縱手柄後。通過燃爆系統將操作指令傳輸到子系統各部件，按預定程序工作。首先將乘員固定緊，接著引爆爆炸索和爆炸螺栓，將艙體與機身結構的連接板和連接接頭炸斷，並用以火藥為動力的剪切器將飛機操縱系統和管路等切斷。接著，火箭發動機點火。將座艙推離飛機。在這一過程中，通過陀螺平台調整火箭推力方向來穩定座艙的俯仰和滾動。之後，氣流平衡面和穩定減速傘也相繼打開。共同保持座艙的姿態穩定並加快減速。待座艙的高度和速度降到回收傘的開傘限制值以下，穩定傘被釋放。並射出回收傘。在穩定傘即將釋放前，兩側的阻流板打開，其作用是在穩定傘釋放後和主回收傘張開前的一段過渡時間內穩定座艙。艙體靠回收傘平穩著陸。著陸速度為9米/秒。艙體底部有5個著陸緩衝氣囊，著陸前自動充氣；著陸時。氣囊的泄氣門被著陸衝擊力沖開，以吸收；中擊能量。艙體的前後部位配備有水上漂浮氣囊。其兩側有平衡姿態的漂浮氣囊。因此，艙體落水後能漂浮在水面上並且不會倒置，以便飛行員打開艙門安全脫險。

　　經過前3架B-1A轟炸機原型機的研製表明，採用分離座艙與採用敞開式彈射座椅相比，飛機的重量增加了2268千克，成本和維護費用也提高了很多；後來在B-B1轟炸機上放棄了分離座艙，而選用了ACES-2型敞開式火箭彈射座椅作為乘員的救生裝置。

　　B-1A由於需求改變下馬後，採用低空高亞音速突防的B-1B改回了普通的彈射座椅逃生，注意駕駛艙天窗後面左右各二，一共四個的方框，那些就是彈射時打開的緊急逃生艙門

　　雖然分離座艙有重量大、成本和維護費用高的缺點，並且其低空救生性能比火箭彈射座椅還差一些。但它具有良好的高空和高速救生性能，並且集座艙、應急離機裝置和防護裝置三種功能於一體，這是火箭彈射座椅所無法實現的，所以分離座艙還是有發展前途的。據美國的統計資料，1967～1968年，F-111和FB-111飛機的分離座艙應急救生86人，成功70人，救生成功率為81％，與美國空軍火箭彈射座椅的平均救生成功率基本相同。在這些成功的救生事例中。有兩起是當量空速超過了1100千米/小時，如果使用敞開式火箭彈射座椅，飛行員就不一定能得救。