浅析21世纪战机的安全救生问题
作者：王伟
单位：海军医学研究所，上海市 200433
关键词：战斗机；弹射救生；航空医学
海军医学杂志990234 摘要 分析了新一代战机的高速、高空、高机动性能对飞行员安全救生的影响；提出了新一代战机的安全救生应该解决的一系列问题；介绍了国外对第四代弹射救生装置的研究现状。
21世纪初，国外的主力战斗机将是以美国的F-22为代表的第四代战斗机。典型的机种还包括：俄罗斯的Su-37，MFI(米格1.42)，以及一些三代半战斗机(如欧洲的EF2000，日本的F-2，瑞典的JAS39“魔狮”)[1]。新一代战机与第三代战机(如美国的F-15，F-16，俄罗斯的Su-27)相比综合性能有了显著的提高，飞行高度和速度增加，具有了超音速巡航能力和超音速机动能力。1998年美国对伊拉克的“沙漠之狐”行动和1999年北约对南联盟的空袭都表明：即使是再先进的战斗机也会被击落，因而第四代战斗机也不能不重视其救生问题。那么第四代战机的高性能对安全救生有什么样的影响呢?
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1 战机的高性能对弹射救生的影响
1.1 高速度的影响
第四代战机都普遍具有了超音速巡航能力。F-22能以M1.8速度进行不加力超音速巡航[2]。Su-37最大飞行速度达到2 200km/h。
1.1.1 弹射过载增大 为了保证飞行员在高速飞行情况下迅速离机并安全越过垂直尾翼，要求人-椅系统必须提供一定的离机速度和高度。飞机速度越大，要求离机时的弹射初速度就越大。但由于弹射出口速度是在短行程内获得的，所以人-椅系统必须具有很大的加速度，从而使人-椅系统受到很大的冲击性过载。研究表明，人体椎体受到的压力达到一定的数值就会发生骨折。成人腰椎标本受5 000～8 000N的压力即可造成破坏[3]。弹射过载的增大将导致飞行员身体受机械性损伤的可能性增大。
1.1.2 高速气流吹袭 大速度弹射时，飞行员因受气流动压作用而发生肢体甩打损伤。美国空军弹射时的气流甩打损伤发生率为25%～33%。我国空军因大速度(大于800km/h)弹射死亡者占总死亡人数的20%[4]。随着战机速度的增加，弹射时造成的肢体甩打损伤将更加严重。因此，下一代弹射座椅必须解决上肢、头部、下肢的防护固定问题。此外，飞行员弹射时，气流会在头盔上产生一个升力。随着弹射离机速度的增大，高速气流在头盔上产生的升力将会导致飞行员的伤亡。
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1.1.3 座椅气动不稳定性加剧 弹射座椅的气动不稳定性是导致在飞机时速大于400n mile(当量空速)时高受伤率的主要原因。这种不稳定性导致猛烈的运动，会引起直接和间接的伤亡。直接的损伤包括脊椎和颈的错位，间接的损伤包括加速度导致的肢体摇摆和气动吹袭伤[5]。随着战机速度的提高，座椅的气动不稳定性的加剧，引起的损伤也将加剧。
1.1.4 最低安全救生高度增大 现代座椅在平飞时具有零速度零高度安全救生的性能，但如果飞行姿态比较复杂，比如在倒飞、横滚或高下沉率等不利于弹射救生的姿态时，就必须有最低安全救生高度。飞机速度越大，所需的最低安全救生高度也就越高。因为水平分速度越大，弹射轨迹的高度降低，同时延长了减速时间，所以为了把速度减到允许打开救生伞的速度所损失的高度就越大。Su-37的海平面最大时速达1 400km，在超低空以这样大的速度飞行将需要极大的最低安全救生高度，从而对弹射座椅的低空救生性能要求就越高。
1.2 高空和超低空性的影响
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1.2.1 高空性 Su-37超音速巡航飞行的高度达到18 000m，而战斗机的座舱压力一般在8 000m以下，在这种高度下弹射救生必须解决爆炸性减压造成的气压性损伤和高空缺氧、低温等对飞行员所造成的伤害问题。
1.2.2 超低空性 第四代战机能够综合利用前、后雷达，以及由红外、激光和电视组成的光电系统，雷达告警系统等，并采用卫星修正的组合导航系统[2]。因此飞机的超低空突防性能有了更大的提高，能够安全地贴近地面飞行。但是，弹射救生的统计资料表明，飞机失事时的飞行高度越低，就越难保证机上人员的应急救生。依据我国空军1960年以来的统计资料，弹射死亡原因中，低空弹射占47.5%。当速度一定时，死亡率取决于低空高度，弹射时高度越低，死亡率越高。因此，对第四代战机而言，复杂飞行姿态下的高速超低空飞行对弹射救生系统有更高的要求。
1.3 高机动性的影响
1.3.1 推力矢量技术的运用 推力矢量技术的运用是第四代战机的显著标志。F-22、Su-37、EF2000都采用了这种技术。这种技术的运用提高了飞机的机动性，使之具有过失速机动能力，扩展了飞机的飞行包线，提高使用过载，降低仰角速度，增大转弯角速度，提高了飞机的敏捷性，飞机因此能完成一系列高难度的战术动作。如“眼镜蛇”机动、柯比特(kubit)机动、钟形(Bell)机动、赫布斯特(Herbst)机动、榔头(Hammerhead)机动等等。如Su-37可完成零速度下的机动动作，可在保持航迹不变的情况下完成零半径的转弯(定点转弯)和零半径的筋斗(定点筋斗)[6]。
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1.3.2 过载与持续性过载 战机机动性能的大幅度提高，使飞行员在做机动动作时所承受的加速度强度增大，时间增长，作用的范围和部位变宽，加速度的增长率增大。并且在做柯比特(kubit)机动等超机动动作时往往会几种加速度同时出现，发生协同和相加，使机体的动态响应变得复杂，除了持续性线加速度外，往往还有角加速度、科里奥利加速度及振动速度合并出现[7]，因而机体所承受的过载增大，持续时间变长，发生损伤的可能性也就增加。
1.3.3 座椅稳定性 战机机动性能的提高使弹射救生条件变化增大，面临着各种各样的弹射姿态，这是造成座椅滚转的重要原因。而座椅朝任何方向的转动运动都会降低人对线形过载的耐受能力，甚至出现不能允许的过载作用，大大增加了弹射救生成功的难度。另外，座椅的稳定性、人椅分离和开伞的可靠性、快速性都将受到极大影响。
2 第四代弹射救生装置的研究状况
2.1 发展趋势
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第四代弹射座椅有以下特点：(1)救生性能提高，扩大了救生性能包线。麦道公司的ACESⅡ改进型座椅救生包线已经达到最大时速700n mile(当量空速)，最大高度21 336m。(2)座椅更简洁轻便。由于座椅质量过大会对飞机的整体性能产生不利影响，因而马丁-贝克公司的MK16型弹射座椅重量只有63.4kg，并且维护简便，一个人可在12min内拆下座椅，而且不必拆除飞机座舱盖或使用起重设备。(3)适应性可靠性提高。电子程序控制的微信息处理机的运用，能精确地控制座椅及提供更多的冗余度和更高的可靠性。(4)成本价格降低。由于新一代战机的研制和生产成本过于庞大，使得必须想办法降低成本，因而低价高效的救生座椅将是下一代战机的选用标准[8]。
2.2 两种典型的第四代救生座椅
2.2.1 麦道公司的ACESⅡ改进型 该系统主要采用了以下三种新技术：(1)可控制的火箭弹射推动力。在座椅上布置了“H”形结构的推进器，采用固体燃料。“H”结构的四个末端装有喷口，通过两个控制器对四个喷口进行控制，以实现对座椅俯仰、偏转、旋转等姿势的控制，扩大了弹射救生包线。(2)数字化飞行控制。座椅稳定性是所有生命保障装置运行的关键。提供座椅飞行的能力和提供在高速度下的这种能力是通过飞行控制系统来完成的。它包括力系统、惯性测量单元(IMU)和制导与控制单元(GCU)。(3)新一代生命保障装置。高速保护装置包括：一个躯干限制机构、一个限臂机构、一个腿保护机构和一个头保护机构[9]。
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2.2.2 马丁-贝克公司的MK16LS型 该系统主要有以下特点：(1)采用微型电子程序控制器对弹射进行程序控制。这个部件能把飞机数据与弹射时飞机高度、俯仰、偏转、滚转数率结合起来，这样，能使座椅按弹射时准确的状态而反应。(2)与ACESⅡ改进型相比更简洁、轻便，更适用于下一代的轻型战斗机。(3)与MK系列型的座椅相比，救生性能包线达到最大时速600n mile(当量空速)。(4)减少了开伞时间。在400n mile/h以上的速度情况下弹射能在0.87s内打开降落伞[10]。
(本文承蒙曾宪英、王正华、丁江舟三位老师的指导，在此深表感谢!)
参考文献
1 朱荣昌.新的角逐，21世纪战斗机综合评述.国际航空，1998，(12)：33
2 胡秉科，白丽洁，黄尉嘉等.第四代战斗机所依赖的技术基础.国际航空，1999，(4)：38
, 百拇医药
3 刘 雷，沈根标，衡代忠等.不同暴力下胸腰椎损伤的生物力学因素.中华航空航天医学杂志，1999，9(1)：23
4 张汉镔主编.飞行器安全救生.北京：北京航空航天大学出版社，1990.1-7
5 Glen JB. Inflatable aero-stabilizers for NACES. In: Contarino Proceedings of the 35th Annual Symposium Safe Association, BR. South Mountain Phoenix Arizona, 1997.8-10
6 赵群力.推力矢量在战斗机上的应用.国际航空，1999，(1)：20
7 刘铁汉主编.航空生物动力学.西安：陕西科学技术出版社，1989.38-42
, 百拇医药
8 徐世坤编译.马丁-贝克公司下一代的飞机救生系统.航空救生技术，1991，(1)：113
9 Major T D W, John Q, McDonald AB et al. Fourth generation escape systems technology demonstration program-objectives and accomplishments. In: Contarino BR. Proceedings of the 36th Annual Aymposium Safe Association, South Mountain Phoenix Arizona, 1998. 14-16
10 Brian AM. Introducing the 16LS high performance ejection seat. In: Contarino BR. Proceedings of the 35th Annual Symposium Safe Association, South Mountain Phoenix Arizona, 1997. 8-10
(收稿：1999-06-09), http://www.100md.com
单位：海军医学研究所，上海市 200433
关键词：战斗机；弹射救生；航空医学
海军医学杂志990234 摘要 分析了新一代战机的高速、高空、高机动性能对飞行员安全救生的影响；提出了新一代战机的安全救生应该解决的一系列问题；介绍了国外对第四代弹射救生装置的研究现状。
21世纪初，国外的主力战斗机将是以美国的F-22为代表的第四代战斗机。典型的机种还包括：俄罗斯的Su-37，MFI(米格1.42)，以及一些三代半战斗机(如欧洲的EF2000，日本的F-2，瑞典的JAS39“魔狮”)[1]。新一代战机与第三代战机(如美国的F-15，F-16，俄罗斯的Su-27)相比综合性能有了显著的提高，飞行高度和速度增加，具有了超音速巡航能力和超音速机动能力。1998年美国对伊拉克的“沙漠之狐”行动和1999年北约对南联盟的空袭都表明：即使是再先进的战斗机也会被击落，因而第四代战斗机也不能不重视其救生问题。那么第四代战机的高性能对安全救生有什么样的影响呢?
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1 战机的高性能对弹射救生的影响
1.1 高速度的影响
第四代战机都普遍具有了超音速巡航能力。F-22能以M1.8速度进行不加力超音速巡航[2]。Su-37最大飞行速度达到2 200km/h。
1.1.1 弹射过载增大 为了保证飞行员在高速飞行情况下迅速离机并安全越过垂直尾翼，要求人-椅系统必须提供一定的离机速度和高度。飞机速度越大，要求离机时的弹射初速度就越大。但由于弹射出口速度是在短行程内获得的，所以人-椅系统必须具有很大的加速度，从而使人-椅系统受到很大的冲击性过载。研究表明，人体椎体受到的压力达到一定的数值就会发生骨折。成人腰椎标本受5 000～8 000N的压力即可造成破坏[3]。弹射过载的增大将导致飞行员身体受机械性损伤的可能性增大。
1.1.2 高速气流吹袭 大速度弹射时，飞行员因受气流动压作用而发生肢体甩打损伤。美国空军弹射时的气流甩打损伤发生率为25%～33%。我国空军因大速度(大于800km/h)弹射死亡者占总死亡人数的20%[4]。随着战机速度的增加，弹射时造成的肢体甩打损伤将更加严重。因此，下一代弹射座椅必须解决上肢、头部、下肢的防护固定问题。此外，飞行员弹射时，气流会在头盔上产生一个升力。随着弹射离机速度的增大，高速气流在头盔上产生的升力将会导致飞行员的伤亡。
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1.1.3 座椅气动不稳定性加剧 弹射座椅的气动不稳定性是导致在飞机时速大于400n mile(当量空速)时高受伤率的主要原因。这种不稳定性导致猛烈的运动，会引起直接和间接的伤亡。直接的损伤包括脊椎和颈的错位，间接的损伤包括加速度导致的肢体摇摆和气动吹袭伤[5]。随着战机速度的提高，座椅的气动不稳定性的加剧，引起的损伤也将加剧。
1.1.4 最低安全救生高度增大 现代座椅在平飞时具有零速度零高度安全救生的性能，但如果飞行姿态比较复杂，比如在倒飞、横滚或高下沉率等不利于弹射救生的姿态时，就必须有最低安全救生高度。飞机速度越大，所需的最低安全救生高度也就越高。因为水平分速度越大，弹射轨迹的高度降低，同时延长了减速时间，所以为了把速度减到允许打开救生伞的速度所损失的高度就越大。Su-37的海平面最大时速达1 400km，在超低空以这样大的速度飞行将需要极大的最低安全救生高度，从而对弹射座椅的低空救生性能要求就越高。
1.2 高空和超低空性的影响
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1.2.1 高空性 Su-37超音速巡航飞行的高度达到18 000m，而战斗机的座舱压力一般在8 000m以下，在这种高度下弹射救生必须解决爆炸性减压造成的气压性损伤和高空缺氧、低温等对飞行员所造成的伤害问题。
1.2.2 超低空性 第四代战机能够综合利用前、后雷达，以及由红外、激光和电视组成的光电系统，雷达告警系统等，并采用卫星修正的组合导航系统[2]。因此飞机的超低空突防性能有了更大的提高，能够安全地贴近地面飞行。但是，弹射救生的统计资料表明，飞机失事时的飞行高度越低，就越难保证机上人员的应急救生。依据我国空军1960年以来的统计资料，弹射死亡原因中，低空弹射占47.5%。当速度一定时，死亡率取决于低空高度，弹射时高度越低，死亡率越高。因此，对第四代战机而言，复杂飞行姿态下的高速超低空飞行对弹射救生系统有更高的要求。
1.3 高机动性的影响
1.3.1 推力矢量技术的运用 推力矢量技术的运用是第四代战机的显著标志。F-22、Su-37、EF2000都采用了这种技术。这种技术的运用提高了飞机的机动性，使之具有过失速机动能力，扩展了飞机的飞行包线，提高使用过载，降低仰角速度，增大转弯角速度，提高了飞机的敏捷性，飞机因此能完成一系列高难度的战术动作。如“眼镜蛇”机动、柯比特(kubit)机动、钟形(Bell)机动、赫布斯特(Herbst)机动、榔头(Hammerhead)机动等等。如Su-37可完成零速度下的机动动作，可在保持航迹不变的情况下完成零半径的转弯(定点转弯)和零半径的筋斗(定点筋斗)[6]。
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1.3.2 过载与持续性过载 战机机动性能的大幅度提高，使飞行员在做机动动作时所承受的加速度强度增大，时间增长，作用的范围和部位变宽，加速度的增长率增大。并且在做柯比特(kubit)机动等超机动动作时往往会几种加速度同时出现，发生协同和相加，使机体的动态响应变得复杂，除了持续性线加速度外，往往还有角加速度、科里奥利加速度及振动速度合并出现[7]，因而机体所承受的过载增大，持续时间变长，发生损伤的可能性也就增加。
1.3.3 座椅稳定性 战机机动性能的提高使弹射救生条件变化增大，面临着各种各样的弹射姿态，这是造成座椅滚转的重要原因。而座椅朝任何方向的转动运动都会降低人对线形过载的耐受能力，甚至出现不能允许的过载作用，大大增加了弹射救生成功的难度。另外，座椅的稳定性、人椅分离和开伞的可靠性、快速性都将受到极大影响。
2 第四代弹射救生装置的研究状况
2.1 发展趋势
, 百拇医药
第四代弹射座椅有以下特点：(1)救生性能提高，扩大了救生性能包线。麦道公司的ACESⅡ改进型座椅救生包线已经达到最大时速700n mile(当量空速)，最大高度21 336m。(2)座椅更简洁轻便。由于座椅质量过大会对飞机的整体性能产生不利影响，因而马丁-贝克公司的MK16型弹射座椅重量只有63.4kg，并且维护简便，一个人可在12min内拆下座椅，而且不必拆除飞机座舱盖或使用起重设备。(3)适应性可靠性提高。电子程序控制的微信息处理机的运用，能精确地控制座椅及提供更多的冗余度和更高的可靠性。(4)成本价格降低。由于新一代战机的研制和生产成本过于庞大，使得必须想办法降低成本，因而低价高效的救生座椅将是下一代战机的选用标准[8]。
2.2 两种典型的第四代救生座椅
2.2.1 麦道公司的ACESⅡ改进型 该系统主要采用了以下三种新技术：(1)可控制的火箭弹射推动力。在座椅上布置了“H”形结构的推进器，采用固体燃料。“H”结构的四个末端装有喷口，通过两个控制器对四个喷口进行控制，以实现对座椅俯仰、偏转、旋转等姿势的控制，扩大了弹射救生包线。(2)数字化飞行控制。座椅稳定性是所有生命保障装置运行的关键。提供座椅飞行的能力和提供在高速度下的这种能力是通过飞行控制系统来完成的。它包括力系统、惯性测量单元(IMU)和制导与控制单元(GCU)。(3)新一代生命保障装置。高速保护装置包括：一个躯干限制机构、一个限臂机构、一个腿保护机构和一个头保护机构[9]。
, 百拇医药
2.2.2 马丁-贝克公司的MK16LS型 该系统主要有以下特点：(1)采用微型电子程序控制器对弹射进行程序控制。这个部件能把飞机数据与弹射时飞机高度、俯仰、偏转、滚转数率结合起来，这样，能使座椅按弹射时准确的状态而反应。(2)与ACESⅡ改进型相比更简洁、轻便，更适用于下一代的轻型战斗机。(3)与MK系列型的座椅相比，救生性能包线达到最大时速600n mile(当量空速)。(4)减少了开伞时间。在400n mile/h以上的速度情况下弹射能在0.87s内打开降落伞[10]。
(本文承蒙曾宪英、王正华、丁江舟三位老师的指导，在此深表感谢!)
参考文献
1 朱荣昌.新的角逐，21世纪战斗机综合评述.国际航空，1998，(12)：33
2 胡秉科，白丽洁，黄尉嘉等.第四代战斗机所依赖的技术基础.国际航空，1999，(4)：38
, 百拇医药
3 刘 雷，沈根标，衡代忠等.不同暴力下胸腰椎损伤的生物力学因素.中华航空航天医学杂志，1999，9(1)：23
4 张汉镔主编.飞行器安全救生.北京：北京航空航天大学出版社，1990.1-7
5 Glen JB. Inflatable aero-stabilizers for NACES. In: Contarino Proceedings of the 35th Annual Symposium Safe Association, BR. South Mountain Phoenix Arizona, 1997.8-10
6 赵群力.推力矢量在战斗机上的应用.国际航空，1999，(1)：20
7 刘铁汉主编.航空生物动力学.西安：陕西科学技术出版社，1989.38-42
, 百拇医药
8 徐世坤编译.马丁-贝克公司下一代的飞机救生系统.航空救生技术，1991，(1)：113
9 Major T D W, John Q, McDonald AB et al. Fourth generation escape systems technology demonstration program-objectives and accomplishments. In: Contarino BR. Proceedings of the 36th Annual Aymposium Safe Association, South Mountain Phoenix Arizona, 1998. 14-16
10 Brian AM. Introducing the 16LS high performance ejection seat. In: Contarino BR. Proceedings of the 35th Annual Symposium Safe Association, South Mountain Phoenix Arizona, 1997. 8-10
(收稿：1999-06-09), http://www.100md.com