航空救生——弹射离机

在飞行训练、执行任务以及作战过程中，飞机有可能发生各种故障或为敌方炮火击中而无法继续飞行，这时必须通过各种手段使飞行人员迅速离开飞机，借助降落伞安全着陆。如飞机速度不超过400km/h，飞行人员尚可靠自身体力离开飞机座舱跳伞。如飞机速度超过400km/h，由于强大迎面气流阻力的影响，飞行人员已很难自行离开座舱。为保证飞行人员能在较高飞行速度条件下安全离机，第二次世界大战末期发展成功弹射救生技术，能在高速飞机上借助弹射装置使飞行人员离开飞机。
弹射离机过程 弹射装置主要包括弹射座椅、弹射机构(内含弹射筒、弹射弹或火箭助推器及打火机构)、安全带防护系统和降落伞系统等。其原理为利用弹射弹或火箭助推器作为动力，借助其产生的强大推力将人连同座椅一起弹出座舱。弹射离机过程大致如下： 一旦飞机发生故障，飞行人员首先应判明情况，如确需弹射离机，应立即取正确弹射姿势，拉动弹射座椅击发机构(目前有三种形式：手柄、面帘、D型环)。此时，弹射装置即按一定程序工作： 抛掉座舱盖→拉紧束缚系统（将人固定好）→弹射出舱→自动射出稳定伞和减速伞→解脱座椅。其后的过程为：人、椅分离→开伞→降落→着陆或着水。着水前必须先将所带救生船充气抛入水中，入水后爬上救生船等待营救。

图1 弹射座椅

1.弹射筒 2.火箭包 3.面帘把手 4.安全带 5. 弹射手柄

图2 弹射离机基本过程

1. 抛盖 2. 弹射弹打火 3. 火箭包点火 4. 射出稳定伞 5. 稳定减速 6.人椅分离 7. 拉出主伞 8. 主伞充气，到达最高点 9. 稳定下降 10.着海（陆）

弹射离机方案 1939年，德国开始研究弹射救生技术。1944年作为救生手段正式在飞机上使用。五十年代以前，基本上采用弹道式弹射座椅。六十年代以后，为了解决低空救生问题而发展了火箭式弹射座椅。针对不同机种的要求，目前已发展了以下几种弹射离机方案。
弹道式弹射座椅 分向上弹射和向下弹射两种。其结构是在弹射座椅背面装有弹射筒，筒分内、外两个。向上弹射座椅的内筒联接在座椅骨架的顶端，外筒固定在飞机座舱的底板上。操纵打火机构时，内筒的弹射弹点燃，借助筒内强大内压，将座椅和人一起弹出座舱。后为提高弹射初速，弹射筒由原来的两节发展为三节、四节套筒，弹射弹由原来的一个改用一个主弹射弹加一个或两个辅助弹。座椅上有的安装了自动程序控制机构。弹道式弹射座椅经过不断改进，在五十年代已普遍使用，其弹射救生成功率可达80%以上。
火箭式弹射座椅 在座椅上加装火箭助推器，即在弹射时首先利用弹射弹将座椅弹出座舱，紧接着点燃火箭助推器使座椅继续升高，这样可以增加弹射轨迹的高度，改善低空救生性能。火箭弹射座椅有三种类型：
❶与弹道弹射装置合在一起的火箭弹射器，如美国研制的ACES火箭弹射座椅；
❷双弹射筒双火箭型式的组合动力装置，如美国研制的SⅢS-3火箭弹射座椅；
❸除椅背有弹射筒外，在椅盆底下加装一个火箭包，如英国研制的MK-10火箭弹射座椅。目前火箭式弹射座椅已为各国所广泛采用，有的已具有可在零高度、零速度和1100km/h速度条件下安全救生的先进性能。
CK系统弹射座椅 为苏联米格-21飞机装备的弹射座椅。弹射时，飞机座舱盖会自动扣合在座椅上，为防止高速气流直接作用于人体，离机后达到一定高度时先自动抛掉舱盖，再进行人、椅分离，张开主伞、着陆。此系统因低空性能太差已为敞开式火箭弹射座椅所取代。
B型弹射座椅 弹射时，弹射座椅的脚蹬首先向上翘起，然后座椅向后旋转90度，椅盆向前，座椅呈水平位弹出。利用座椅盆底保护飞行人员不受高速气流伤害。这种座椅实际上很少被采用，仅美国F-106飞机曾装备过。
救生囊 是一种带有折叠罩的封闭式囊形座椅。常规飞行时，罩子折叠在座椅上端；当座舱被破坏或不能增压时，即可激发座椅封闭系统，使折叠罩自动从座椅顶上转下，使救生囊处于封闭状态。这时，相当于在飞机座舱内部又安装了一个小舱，能给飞行人员提供较好的环境保护。若不需要立即弹射离机，还可以使囊内增压，并从封闭罩上的小窗观察仪表。再作短时间飞行。需要弹射离机时则利用火箭将救生囊弹出。弹出后稳定伞立即打开保持稳定，到4500m以下张开回收伞，救生囊整舱着陆。美国的B-58和B-70两种超音速轰炸机均采用这种弹射装置。但这种装置低空救生性能不好，故未获得广泛采用。
分离式救生舱 将飞机座舱作为救生舱。应急离机时飞行人员起动弹射手柄，线状炸药绕着分离舱的周边爆炸，以切断救生舱与机身的连结，然后，分离的救生舱由火箭发动机推动离开机身，最后用回收伞将整个舱体回收。美国F-111飞机采用分离式救生舱，此种救生舱虽在高速弹射时可提供良好的环境防护，但由于舱体目标大，在实战中若救生舱本身受到损坏，飞行人员的安全就会直接受到威胁。
飞行弹射座椅和热气球救生系统 这是为飞行人员在弹射离机后仍可有目的地选择着陆点而研制的弹射救生系统。飞行弹射座椅是一种装有推进发动机和升力装置的弹射座椅。弹射后飞行人员可以继续象操纵一架单人飞行器一样，在一定区域内以一定速度控制座椅，按所需的方向飞去，然后再行人、椅分离，最后乘降落伞着陆。美国已进行大量工作，提出过旋翼、伞翼、帆翼和刚翼等四种飞行座椅方案，但尚未见应用。热气球救生系统，为在原弹射座椅上增加一个气球和辅助充气装置，可使飞行人员在空中悬留30分钟，待营救飞机前来拖曳营救。
牵引式救生系统 该系统利用一个旋转火箭，可从发生紧急故障的飞机上将飞行人员牵引出座舱 （座椅仍然留在飞机上），待达到一定高度，打开降落伞安全着陆。美国于1966年开始研制，主要解决A-1、T-28等低速活塞式螺旋桨飞机的救生问题，因这类旧式飞机座舱空间很小，不可能安装弹射座椅。从目前情况看，这种救生系统有可能解决零高度、零速度和速度为834km/h条件下的救生问题。美国空军已有不少活塞式发动机飞机和类似的攻击机装备了这种系统，并正在研究将该系统用于直升机的救生。直升机的弹射救生问题比较复杂，目前尚未圆满解决。有的主张在弹射前先将旋翼抛掉，有的则主张采用侧向或向下弹射。总之，牵引式救生系统结构简单、重量轻、占空间小、救生系统成功率高，具有解决运输机、旅客机和直升机的空中应急救生的潜力，是一种很有发展前途的救生系统。
弹射座椅设计要求 目前最广泛使用的仍是火箭式弹射座椅。关于现代高性能弹射座椅的设计要求涉及多方面问题，从航空医学角度，主要应考虑以下几点：
(1) 必须确保安全可靠，操纵须高度自动化，关键部件应备有双套。因在弹射跳伞过程中，有些飞行人员可能发生—过性意识障碍或因负伤而昏迷，不能保持正常工作能力。高度自动化可以弥补。新近研制成功的弹射座椅，如美国ACES-Ⅱ型，装有自动程序控制装置，可保证在最有利的条件下进行弹射，达到安全救生的目的。
(2) 实际弹射跳伞过程中，作用于人体的各种机械力不得超过人体耐受限度(见“航空救生——力环境”)。
❶弹射座椅设计中，应尽量设法降低各种机械力的量值。如弹射过载过大会造成脊柱损伤。为使弹射过载不超过人体耐限可采用多级套筒、辅助弹及火箭弹射等。目前以利用小冲量火箭作为动力比较理想。又如，气动减速过载过大会引起生理功能下降、休克、四肢损伤等。为降低此种过载，可以缩小座椅迎风面积和适当加大座椅重量；还可以加装有斜喷口的火箭助推器使背-胸方向受一分力作用。再如，弹射离机后的快速旋转可引起眼结膜出血、意识丧失等严重后果，为了避免发生快速旋转，应缩短人-椅系统重心与火箭推力线之间的偏心矩，或安装稳定板、稳定伞、陀螺微调火箭稳定系统等，以改善弹射座椅的稳定性能。
❷在弹射座椅设计中，要求设置必要的防护系统，如气流吹袭易造成头颈部和四肢伤，故对这些部位必须加装防护装置。又如美国的ACES弹射座椅、苏联的KM-1弹射座椅、英国的MK-10弹射座椅等都装有四肢束缚系统。若要求在速度超过1112km/h的条件下弹射，由于敞开式弹射座椅气流吹袭伤发生率较高，则需要向密封式弹射装置方向发展。
❸尽量减少各种不利因素的影响。如为了克服弹射时身体姿势不正确易造成脊柱损伤的影响，现代弹射座椅多设有强迫拉紧系统，在弹射前即能自动将躯干拉紧以保持正确姿势。良好的背带系统还可减少所承受的气动减速过载及提高对碰撞的耐力，若背带系统设计不当或过紧、过松，都易使人体在弹射时负伤。柔软富有弹性的座垫，在弹射时较硬性座垫“超调”量大，这是因为弹性座垫容易引起人体动态反应，此时人体受到的过载值将大于动力所给予的值，故使负伤机会增加。座垫的硬度、阻尼是评价座垫的重要参数，弹性小、阻尼大，则动态反应小。采用可压缩而无弹性的座垫，可使动态反应降低。总之，这些系统设计是否合理，都与飞行人员的安全救生密切相关。
(3) 人-椅系统在弹射过程中有着复杂的相互联系，在座椅设计工作中必须作为整体全面考虑。座椅的座高、椅背的角度、各部分几何尺寸、外形布局等都要符合人体测量学的要求。椅背要能使脊柱保持自然弯曲度，符合要好；椅盆到座舱底板的距离要适中，使大腿和躯干保持合适的角度。脚蹬不宜过高，以防止使躯干大腿角度变小，而降低脊柱对弹射过载的耐力。臀部与椅面要密接，面帘或D型环要有足够的长度，以免弹射时造成“压头”或上身前倾，影响脊柱弯曲而易造成损伤。
(4) 座椅上各种附件既要轻巧又要妥善固定，以免弹射离机或人、椅分离时由于附件甩打致伤。据统计，由于此种原因而致伤者占5%，故应予重视。
(5) 多座飞机（如轰炸机）的弹射救生尚应考虑弹射次序的先后和采用不同方向弹射(有的向上弹射，有的向下弹射或以不同角度弹射)，以免弹射时发生相互碰撞及烧伤等。
(6) 随着航空技术的发展，弹射座椅设计工作应满足提高救生能力，扩大救生范围的需要。当前仍以解决低空及各种复杂不利姿态下的救生问题为重点。如美国最近研制的立姿制导式救生系统(vertical seeking seatsteering system)，即是为了解决低空倒飞时弹射救生的难题。这种立姿制导座椅装有微型计算机、角速度传感器、转向火箭发动机等。其工作程序是：人-椅系统不论以何种姿态被弹射离机，利用装在座椅椅背顶部具有不同方向的四根天线感受地面和天空辐射温度的差别，将判断座椅姿态的信息送入微型计算机。计算机向火箭发动机输入一个修正信号，令转向火箭发动机开始工作，提供修正力矩，使座椅以最短距离自动调整转向垂直方向，然后把人-椅系统继续向上推进，达到预期的安全开伞高度。这种系统已可将倒飞状态下的最低安全救生高度降至16m左右。