航空救生——力环境

弹射跳伞的基本过程如下： 人-椅系统弹射离机→人、椅分离→主降落伞张满→人-伞系统稳定下降→着陆或着水。离机的飞行人员在此过程暴露于复杂的力环境之中，相继受到：
❶弹射过载，
❷高速气流吹袭，
❸气动力减速，
❹快速旋转，
❺开伞冲击和
❻着陆冲击等各种机械力的影响。
弹射过载 弹射时，人体受到的过载值等于人体运动加速度与重力加速度的比值，过载的方向与座椅运动加速度方向相反，持续时间一般为0.2～0.6秒。向上弹射时，人体作骨盆-头向加速运动，产生头-骨盆向过载，使脊柱受力突然增加，超过一定限度即可引起椎间盘突出甚至脊椎压缩性骨折。故了解脊椎耐压强度对弹射座椅设计甚为重要。Ruff (1940)最先用静态加载方法测出人体各部分脊椎的耐压强度为18.2～25.7G。如为动态加载，则引起椎体破裂所需之压力值增大，表明作用时间因素也很重要。脊柱对过载的耐受能力还与年龄有关，年龄越大，所能耐受的G值越低。据统计资料，脊柱最易受损伤部位为胸12～腰1。目前认为，人体对弹射冲击性过载的耐力至少与过载值、过载增长率及过载作用时间三个参数有关。图1表示人体对不同G值和作用时间向上弹射过载的耐受范围。实际应用中有关人体弹射过载耐力标准并不完全一致。一般将向上弹射的人体耐受标准定为：
❶弹道式座椅，过载值不超过20G、增长率不大于250～300G/s、过载作用时间不超过0.2秒。
❷火箭助推式座椅，弹射弹段13G、210G/s、0.2秒，火箭段16G、250G/s、0.3秒。将向下弹射时人体耐受标准定为：8～12G、125G/s、0.25秒。

图1 人体对向上弹射过载的耐受限度(引自 Eiband,1959)

高速气流吹袭 弹射离机瞬间，高速迎面气流不仅能吹掉防护装备，还可能引起气流吹袭伤。其严重程度与气流的动压力(亦称“动压”、“速压”)大小有关。所谓“气流动压力”即指置于气流中的物体因阻挡气流而承受的附加压力。当气流速度小于0.4马赫数时，可由下式计算动压(q_i):

式中：ρ—大气密度(kg·s²/m⁴),V—气流速度(m/s)。当流速等于或超过0.4马赫数时，因考虑气体压缩影响，须由另式计算。在飞机速度为800km/h条件下弹射离机时，作用于人体表面的气流动压力可达3000kg/m²。

表1 高速气流吹袭对人体和装备的影响

影响部位	气流速度 (km/h)	影 响
头、面部	850	面颊部、嘴角、眼结膜可发生点状出血
	1000～1200	面部广泛性皮下出血，软组织撕裂伤。 气流进入肺、胃可引起损伤
四肢	650	能把脚吹离脚蹬造成扭伤或撕裂伤
	750	能把手从扶手上吹开，造成扭伤、碰撞骨 折或脱臼
装备	300	能吹掉供氧面罩
	550	能吹掉有拉力补偿器的加压供氧面罩， 吹坏飞行帽

气流吹袭对人体的影响主要有二：
❶由于气流动压力直接冲击作用所致的软组织损伤。
❷由于高速气流吹动头颈部及四肢等可活动部位和气动力减速过载时的肢体惯性运动，所引起的“扑打伤”，如扭伤、脱臼甚至骨折等。此外，吹掉防护装备尚可引起缺氧、冻伤及其他严重后果。不同速度的气流吹袭影响见表1。飞行速度愈快，扑打伤率愈高。据美国海军1964～1972年间弹射跳伞事例统计： 弹射时飞机的速度为800km/h时，扑打伤率为32%;1000km/h,45%。我国1960～1972年间弹射成功的事例中，气流扑打伤率为19%；被气流吹掉面罩、靴帽等装备的占23%。
在较高速度下弹射，必须采用固定装置和挡风装置方能预防气流吹袭伤。速度大于800km/h时，四肢应有固定装置(如座椅上设置“腿档”或“臂档”，或弹射时四肢被暂时自动锁住)；大于900km/h，对头、颈部要加保护固定（如加深头靠的枕凹）；大于1100km/h，应使用密闭弹射舱或救生囊。几种装备的防护能力见表2。

表2 使用不同防护装备的允许弹射速度

装备类型	允许弹射速度(km/h)
飞行帽、面罩	750～800
飞行帽、面罩、面帘	800～900
保护头盔放下滤光镜、加压供氧面罩	900～950
密闭头盔、代偿服	1000～1100
舱盖扣合	600～1100
密闭服、头部及四肢固定	1200～1300

气动力减速过载 人-椅系统在脱离飞机的瞬间，由于受到迎面气流的巨大阻碍作用，向前运动的速度突然减慢，于是有气动力减速过载作用于人体。过载的作用方向视人-椅系统姿态而定，一般呈背-胸(-G_x)向。过载值可由下式计算：

式中：CD—人-椅系统阻力系数，A—人-椅系统迎风面积(m²),W—人-椅系统重量 (kg),1/2ρv²—见式(1)注。气动力减速过载的峰值可高达40～50G，但很快衰减，故作用时间短促。峰值衰减的快慢随高度而异，高度越高，衰减时间越长。当过载达30～50G时，可引起休克症状，如面色苍白、血压下降、出冷汗等。过载值再增大则可引起视网膜出血等。若身体向前弯曲，还可引起类似骨盆-头向过载症状，如头部极度充血、眼周围水肿、结膜及视网膜出血等。四肢固定不良时，可引起关节脱臼和扭伤。腹腔脏器因受腰带压迫可发生各种损伤，如腹腔出血、回肠外伤性穿孔等。
人体对气动力减速过载的耐力如图2所示。设计救生装备时，一般以35G作为人体对减速过载的耐限。

作用时间 (s)

图2 人体对气动力减速过载的耐受限度(引自Savely,1955)

在弹射座椅设计中可采用以下防护措施：加强头、颈部及四肢的固定，以防止减速时因惯性而向前、向外运动所造成的损伤；减少人-椅系统的迎风面积；适当增加座椅重量；使用带斜喷口的火箭助推器，以延缓人-椅系统的减速过程。此外，戴保护头盔，对防止减速时的头部碰撞伤有一定作用。
快速旋转 在主降落伞张开以前，人-椅系统或人体尚可能发生不同形式的快速旋转运动。
❶翻转（翻觔斗式旋转）。人-椅系统绕Y轴，一般是由后朝前作俯仰方向翻转，有如快速翻觔斗，还常伴有侧向旋转。造成这种翻转的原因有二：一是弹射力（包括火箭推力）作用线偏离人-椅系统重心较远，形成俯仰翻转力矩；二是人-椅系统上部与下部的迎风面积不等，故所受到的气动力不平衡。
❷水平旋转。人、椅分离后如不马上打开主伞，自由坠落的人体往往取伸展水平位，可发生水平样旋转。
❸沿Z轴的旋转。有的弹射座椅，降至4000m以下高度人、椅才分离，当从高空带稳定伞下降时，人-椅系统可发生沿Z轴的旋转运动。
高度愈高，空气愈稀薄，其阻力也愈小，只要作用力稍有不平衡就极易引起快速旋转。例如，在相同旋转力矩作用下，试验用的“假人”在12000m高度上的旋转频率要比海平面大一倍。
快速旋转的危害有：
❶救生装备系统不能正常工作，如稳定伞缠绕座椅，使人、椅不能分开等。
❷因惯性离心力作用而可能甩掉防护装备，如供氧面罩、手套、靴及手枪等。
❸引起人体损伤。旋转对人体的影响与旋转的频率、旋转中心和转轴轴向以及旋转持续时间等因素有关。一般说来，转速快、时间长者，对人影响就大； 反之则小。就不同旋转轴心部位而言，旋转中心位于心脏处的翻转比位于髂嵴连线处者影响要大；沿身体Y轴的旋转比沿Z轴的旋转影响要大。旋转中心位于心脏部位的翻转可引起血液向身体两端转移，头和下肢末端动、静脉压力升高及充血，直至脑循环停滞引起昏迷。据估计，转速160rpm、3～10秒的这类旋转即可使人丧失意识。旋转轴心位于髂嵴连线部位的翻转，头部血液流体静压升高更多，与持续性负加速度作用近似。人-椅系统沿Z轴的旋转（椅背与伞绳间有一定角度），一般转速不高，但持续时间较长，可达数分钟，能引起定向障碍、视力模糊、恶心以及类似持续性负加速度的症状。
如以眼结膜出血作为耐限指标，则人体对翻转的耐力大致如下：旋转中心在髂嵴连线处为90rpm/3s或50rpm/2min。旋转中心在心脏处为45rpm/10min或120rpm/4s。在快速旋转的同时，人体还会受到气流吹袭、气动力减速过载的影响。故在确定人体对上述各项因素的耐限时，还应考虑多种机械力的叠加效应。
防止人-椅系统快速旋转的主要措施是增强座椅的稳定性，如适当增大稳定伞的阻力，安装稳定板，使弹射力作用线尽量靠近人-椅系统重心，采用陀螺系统控制以保持稳定等。
开伞冲击 亦称“开伞动载”。经弹射离机以及人、椅分离阶段后，跳伞者下降到一定高度和速度范围 (通常为4000m、550km/h以下)，降落伞便自动打开。这种“延迟开伞”方法不仅可减低开伞动载，还可缩短跳伞者在高空停留的时间，以减轻缺氧和寒冷的危害，减少受敌攻击机会。所谓“开伞动载”是指主降落伞张开（充气）过程中，通过伞的背带系统作用于人体的冲击力。开伞动载的最大值约为伞衣在充满瞬间阻力的两倍，与伞衣面积、阻力系数、空气密度和伞衣充满瞬间人-伞系统的速度有关。对于一定形式的降落伞，其开伞动载的大小主要取决于开始充气时伞的速度、开伞高度及伞衣负荷（单位伞衣面积负重）。计算开伞动载平均值(Ḡ)的公式如下：

式中：v₁—降落伞开始充气时伞的速度(m/s),v₂—伞衣充满后伞的速度(m/s),t—伞衣充满时间 (s),g—重力加速度。充满时间(t)随开始充气时伞的速度(v₁)增大而减小，所以开始充气时伞的速度愈快，开伞动载也愈大。开伞高度对开伞动载的影响是降落伞理论中有争议的问题。试验表明，在相同真速下，圆形救生伞(救生10型)的开伞动载随开伞高度增高而增大(充满时间t随高度增大而减小)；方形救生伞(救生7型)的开伞动载，在高度2000～8000m范围内，基本不受开伞高度影响。伞衣负荷对开伞动载影响显著，伞衣负荷愈大（伞衣面积较小），开伞动载愈大。人体对开伞动载的耐力为15～20G、0.3秒。开伞动载过大可造成脊柱伤、肋骨骨折和四肢脱臼，甚至内脏损伤。过大的开伞动载还可将氧气面具等震落。中空开伞的动载值多为14～16G。在开伞冲击伤中，软组织伤约占80%，四肢骨折10%，胸骨、肋骨骨折和脊柱伤占10%。受伤部位多见于背带与人体接触部位，如会阴部、胸腰部等。至于受伤原因，多系由于开伞动载过大或在复杂情况下(翻滚、旋转)开伞，身体被伞绳、伞背带钩挂或抽打所造成；有的则是由于背带调节不当、受力不均所造成。
减少开伞冲击伤的措施主要有： 改进弹射跳伞的程序控制，合理控制开伞的高度及速度；改进降落伞的性能，使其能在较大速度下开伞而又不致产生过大的动载； 改进伞的背带系统，使其便于调节，与身体接触部位受力均匀，单位面积受力减小，穿脱方便。
着陆冲击 为弹射跳伞飞行人员在接触地面瞬间。由于突然失去运动速度而受到的冲击力，亦称“着陆动载”。着陆动载的大小取决于人体着陆速度（等于垂直下降和水平运动速度的矢量和）和缓冲距离，其关系式是：

式中：G—着陆动载，v—着陆速度(m/s),S—缓冲距离(m)。飞行人员用降落伞垂直下降速度一般为6m/s，在无风情况下着陆时，其冲击力仅相当于从1.5m高的台上跳下。地面有风时，着陆速度增大。高原跳伞时，因空气稀薄，伞的阻力减小，着陆速度也增大。跳伞落水时，因高度判断错误而过早解脱降落伞也可使落水时冲击力增大。着陆缓冲距离指从接地时起到运动速度完全消失时止，身体重心下移的距离。位移量愈大，着陆动载愈小，故正确的着陆姿势能减轻着陆冲击。通常着陆冲击为10～15G、0.02～0.15秒。如着陆场地不平或有侧风，或着陆姿势不正确，即可发生踝关节扭伤，胫、腓骨骨折，脊柱骨折和脑震荡等。预防着陆伤的主要方法是掌握正确的着陆动作，详见“弹射练习及跳伞训练”。