讲武谈兵丨两百以下低空守护神:军用直升机抗坠毁救生系统

澎湃新闻特约撰稿 黄国志

2017-02-06 14:24 来源:澎湃新闻

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今年1月19日,驻闽陆航某团1架直升机在夜间训练中失事坠毁,机上2名飞行员牺牲。听闻此消息,笔者心情十分沉重。本期专栏,就与广大读者谈一谈军用直升机的抗坠毁救生系统。
军用直升机由于飞行高度低、飞行速度快、沿途地形复杂,事故率一般都要比固定翼飞机高。因此,对于军用直升机的战场生存能力,航空工业界一般有这样一个原则:尽量不要被发现;被发现后不易被击中;被击中后要尽量保证安全返航;在最坏的情况下,即被击中后迫降或坠机,也要尽可能保证机组人员和乘员的生命安全——抗坠毁救生系统就是在军用直升机在面临最后一种情况时需要发挥作用的系统。
200米以下空域是考验系统的关键
抗坠毁救生系统的工作原理并不复杂,就是采取一定的吸能措施,利用机体结构变形和座椅吸能来消耗坠机时作用到机内乘员身体上的冲击能量,从而防止直升机坠地时产生的巨大撞击能量直接传递到飞行人员身上。
一般来说,航空界有一个200米高度“回避区”的概念:当直升机在200米高度以上飞行时,即处于回避区以外,此时若发生事故且没有完全失控,那么直升机主旋翼的自转可以起到类似降落伞的减速作用,使直升机可以达到尽量低的着陆速度;但如果在200米以下,即回避区内发生坠机事故,那就要直接考验直升机抗坠毁救生系统的性能好坏了。
美军开启抗坠毁救生系统研发的先河
固定翼飞机的抗坠毁救生系统起步较早,几乎与飞机的发展是同步进行的。如今,各型性能先进的弹射座椅早已成为现代战机的标配装备。相对而言,对直升机抗坠毁救生系统的重视直到1960年美国陆军在越战中首次大规模应用直升机才开始。当时,美国陆军装备的各型直升机,尤其是UH-1系列通用直升机经常要深入敌后担负人员和伤员运输、物质补给以及装备吊运等任务。虽然从后来统计结果来看,越战中美军直升机的损失率为1.2架/万架次,并不算很糟糕,但是机组成员的死亡率却相当高。尤其是在发生坠机事故时,几乎很少有人生还。
越战中,UH-1直升机的大规模应对极大地提高了美军在热带丛林的机动性。
为此,美国陆军一方面开始尝试为直升机安装防护装甲以提高防弹性能,另一方面则在世界各国中首次开展了对直升机抗坠毁救生系统的研究。1965年,世界上第一个关于直升机抗坠毁救生系统设计研发的指导性标准——美军《坠机生存设计指南》问世。以该文件为起点,美国陆军又相继制定了一系列相关标准文件,其中最重要的就是1974年出台的《轻型固定翼飞机和旋翼机坠撞安全性》标准,即MIL-STD-1290。这一标准此后也成为西方国家研制新型直升机时所要参考的最重要文件之一。
MIL-STD-1290制定了一系列非常详细的设计标准,其中最重要的一条就是当直升机以12.8米/秒的垂直速度坠地时,要保证机组成员的生存率达到95%以上。其他西方国家,如法国、意大利、英国等从上世纪70年代末至80年代初开始重视直升机抗坠毁救生系统的研究,并以MIL-STD-1290为蓝本制定了本国相应的标准文件。
我国对于直升机抗坠毁救生系统的研发起步相对较晚,最初也是参考美国陆军MIL-STD-1290的新版本MIL-STD-1290A,在1996年制定了GJB2961《军用直升机抗坠毁要求》。之后,在1999年又参考MIL-STD-58095A制定了GJB3838《直升机抗坠毁座椅通用规范》。以这两个标准为起点,加上后来制定的GJB4234《人体坐姿着陆冲击安全限值》,为我国直升机抗坠毁救生系统的发展提供了重要技术参考。如今,我国现役军用直升机在设计中都贯彻了上述这几个标准,使得抗坠毁救生系统技术水平基本上做到了与国外同步。
“黑鹰”从四个方面保障成员安全
从技术角度来讲,直升机抗坠毁救生系统主要通过四个方面来保证机组成员的安全:一是利用起落架、机体结构和抗坠毁座椅的变形吸能装置来起到缓冲作用,以使作用在人体上的冲击能量不超过生理指标,避免出现严重伤害;二是坠地后座舱以及机舱内要能够给机上人员保留一定的生存空间,不能出现塌陷、尖刺以及突出部位伤害人体,并且让人员有能够迅速逃离的出口;三是要装备性能先进的人体约束系统,避免人员在旋转、碰撞以及翻滚等情况下被甩出;四是坠地后避免起火,如果是坠落在水面上要防止人员溺水等。
直-10带有两级液压缓冲支柱的主起落架设计值得称道。
以世界上第一种将抗坠毁救生系统纳入到设计之中的直升机——如今大名鼎鼎的美国UH-60A“黑鹰”直升机为例,该机的飞行员和乘员都配备了抗坠毁座椅,采用不可收放的吸能起落架和抗坠毁自封闭油箱和管路,机舱两侧设有紧急逃生口,发动机舱内设有可触发灭火系统的惯性坠毁开关。这一系列抗坠毁救生技术的应用,使得UH-60A“黑鹰”成为世界上最安全的直升机之一。
UH-60“黑鹰”直升机堪称一代经典,但在战场上没有万无一失的事情。
抗坠毁座椅至关重要
在抗坠毁救生系统的各个子系统中,抗坠毁座椅由于直接用于保护机组成员,因而更加受到重视。一般来说,在直升机采取的抗坠毁吸能措施中,机体下部采用蜂窝夹层材料可以吸收一部分能量,采用液压作动筒的主起落架可以吸收大约一半的能量,余下的能量都要依靠抗坠毁座椅来吸收。因此,抗坠毁座椅性能的优劣往往直接决定了机组人员的生存概率。
抗坠毁座椅通常由主结构和次结构组成。主结构包括底座、椅盆、骨架、吸能装置和人体约束系统等,为飞行员提供防弹以及抗坠毁救生能力;次结构包括头靠、背靠、扶手、调节杆、座椅垫等,主要是让飞行员坐得更舒适。当发生坠机事故时,在接触地面的一瞬间,人员和座椅椅盆会以一个恒定的启动载荷沿着两个滑柱向下位移,在这一过程中吸能装置将吸收冲击能量,直到坠撞力小于启动载荷后,椅盆才会停止位移。而且,位移过程中产生的最大加速度和作用时间都要在人体能够忍受的限度以内。
因此,吸能装置是决定抗坠毁座椅性能优劣的核心部件。美国最初研制并装备的第一代吸能装置为固定载荷吸能器,对于不同体重的机组成员适应性较差。固定载荷吸能器在设计时会设定一个标准的机组成员体重,如果与这一体重数值相差较大,无论是更重还是更轻,都会在坠机时造成意外的人身伤害。所以,美国随后研发了第二代吸能装置,即变载荷吸能器。这种吸能器安装有多个不同启动载荷的吸能器,允许机组成员根据自身的体重进行手动调节。但是,由于这种吸能器的体积和重量大大增加,只有H-53和V-22这样的重型直升机和旋翼机才能够采用,因此限制了其应用范围。
目前,世界上最先进的第三代吸能装置也是由美国率先研制成功的,这就是加速度敏感式自动变载吸能器。这种吸能器可以根据机组成员的体重自动进行调节,省去了随时要进行手动调节的繁琐。在直升机上安装时,加速度敏感式自动变载吸能器与固定载荷吸能器共同装备使用。固定载荷吸能器先设定一个最低的机组成员体重数值,当坐上座椅的机组成员体重超过这一数值时,加速度敏感式自动变载吸能器开始启动,与固定载荷吸能器一道工作。这一设计既减小了吸能装置的体积和重量,同时又能保证最大程度的保护效果。
人体约束系统也属于抗坠毁座椅的一部分,但由于其作用十分重要,往往被列为一个单独的研发项目。目前,世界各国军用直升机广泛应用的是五点式约束系统,包括锁扣组件、腰带组件、肩带组件以及应急锁定收缩机构。
我军直-10女飞行员在座舱内的照片,可以清楚地看到她已经穿好五点式约束系统,座椅后部就是吸能器的滑柱。
近年来,国外开始借鉴汽车安全囊的成功经验,为直升机机组成员研制充气式人体约束系统。当发生坠机时,撞击传感器根据冲击情况适时启动电能击发燃气发生器,由此产生的气体会迅速充满气囊,对机组人员进行保护,避免其撞到舱内设备或部件造成伤害。现在进入研发阶段的充气式人体约束系统主要有两种,一是躯干和头部充气式约束系统,另一种则是座舱气囊系统,可以对人员的头部、躯干和四肢进行全面的保护。
我国已装备较完善的抗坠毁救生系统
得益于先期设计标准的制定,我国陆航和空军现役的主力攻击直升机——直-10和直-19都已经装备有较为完善的抗坠毁救生系统。比如,直-10主起落架就采用了类似UH-60A“黑鹰”的两级液压缓冲支柱,前座舱风挡前设有应急爆破手柄,以便坠机后遇到舱盖一旦变形无法打开的情况时,可以通过爆破螺栓进行紧急开舱。此外,直-10也采用了抗坠毁座椅,通过一些飞行员在舱内的新闻图片可以看到五点式约束系统以及吸能器的滑柱等装置。
2014年3月4日,1架直-10失事坠落于陕西渭南市信义镇一片农田中,两名飞行员安全生还。这次事故证明了该机具备较为出色的抗坠毁救生性能。
目前,尚不清楚直-10采用的是哪种吸能器,但是从其抗坠毁座椅可以适应各种身高体型的飞行员,包括女飞行员这一点来看,很可能配备的是第三代加速度敏感式自动变载吸能器。
“讲武谈兵”是由知名军刊资深编辑黄国志为澎湃防务开设的个人专栏,以客观严谨的态度,辅以活泼精炼的语言,力图“破除防务迷雾”,为读者更好地认识我国与国外在装备技术上的差距提供参考和借鉴。每周一或二倾情奉献。
责任编辑:杨一帆澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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