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　　近两周，空军之翼网站先后发表了两篇关于弹射座椅的文章。即王立杰先生的《飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生》和侯知健先生的《谈谈我国战斗机的弹射座椅》。兵器迷看了，实在手痒。

　　手痒的原因有两个，一是这两篇文章都非常专业，兵器迷认同其中的很多的资料和观点，同时学习到很多相关的知识。二是兵器迷对此道也略知一二，因此非常希望谈出来做个分享，既补充一些个人的不同意见，也借此表达对同道的敬意。

　　与前两篇相比，兵器迷的本系列文章，有两个不同的特点。一是会侧重介绍中国研制弹射座椅的相关工作，并更多的探讨飞豹战机事故的弹射因素。二是会从总体脉络上，将几代弹射座椅的发展历程做个总结性的介绍。希望感兴趣的军迷，能够结合这三篇文章的内容，相互印证，判断取舍，对弹射座椅有个更加全面准确的了解。

　　开聊！

一、世界航空弹射座椅的发展历程简述

　　其实在二战之前，战机是没有自动救生设备的，飞行员或其他飞行器成员遇到弃机的紧急情况，只有跳伞。也就是说，战斗机飞行员需要自行爬出座舱，跳离飞机并开伞降落。但是，这个办法很快遇到了一个致命的问题。



在二战中，用倒飞跳伞能提高生存几率

　　这个问题就是迎面高速气流。

　　随着技术的发展，战斗机的速度越来越快，因此飞行员自行出舱时面临的迎面气流速度也随着提高。飞机到了600公里时速时，飞行员靠自身体力，已经难以克服迎面气流出舱。就算好不容易出舱了，也容易在离机时被高速气流刮到机尾，因而碰到尾翼或平尾。这时候的翼面，如同大刀，足可以把飞行员劈成两半，二战时很多飞行员就是这样死于非命的。统计表明，当空速大于360公里/时，飞行员自行出舱跳伞的存活率仅约2%。

　　在任何一个国家，飞行员都是极其宝贵的战斗资产，因此对航空自动救生设备的需求日益高涨，弹射座椅就是在这个背景下应运而生的。

　　最早的弹射座椅诞生于二战末期，德国空军首先于1943-1944年将以火药为动力的弹射座椅用于He 219型双座夜间战斗机，在此后的七十多年里，弹射座椅的发展按照技术特征划分，大概经历了以下四代。


He 219型双座夜间战斗机配备的弹射座椅


第一代：弹道式弹射座椅

　　1940年代中期-1950年代中期的弹道式弹射座椅：先利用类似滑膛炮的原理，将人-椅整体弹出，待人椅分离后打开救生伞。一代座椅的主要贡献，就是解决了自动弹射有无的问题。这一代的代表产品如英国马丁贝克公司的MK.1和MK.5，以及俄罗斯的米格-15、17的弹射座椅。





米格-15/17的SM-1弹射座椅

第二代：火箭弹射座椅

　　1950年代中期-60年代中期的火箭弹射座椅：弹射分为两个过程，首先弹射机构将人-椅弹射出舱，然后由火箭包继续推动人-椅向上运动。这第二个过程，有效的提高了弹射高度，为低空弹射、甚至地面弹射的飞行员解决了低空开伞的问题。因此，二代座椅的主要贡献，就是解决了零高度-零速度弹射（即大家耳熟能详的零-零弹射）问题。这一代的代表产品，如英国马丁.贝克公司70年代为狂风研制的二代弹射座椅MK.10。



第二代弹射座椅引入了零-零弹射概念，在地面也能弹射救生。图为A-4攻击机的道格拉斯Escapac1-C3弹射座椅的两种弹射模式


马丁贝克MK.7弹射座椅从F-104上弹射的情景

第三代：双态弹射座椅

　　1960年代中期-今的双态弹射座椅：所谓双态，即速度状态和高度状态。三代座椅的弹射包线，达到飞行时速0-1000公里，飞行高度0-20公里。因此，三代座椅的主要贡献，主要是解决了亚音速全高度的弹射问题。这一代的代表产品如下：

　　-首推俄罗斯“星”联合体大名鼎鼎的K-36系列——讨论现代弹射座椅必须知道K36这个名字（这个座椅将在后文的叙述中大放异彩）——装备苏-17、苏-24、苏-25、苏-27、米格-29、米格-31、图-160、雅克-36，雅克-38。




大名鼎鼎的K-36弹射座椅

　　-美国麦道公司1970年代设计的“先进概念弹射座椅”ACESII（Advanced Concept Ejection Seat），是美国空军的通用型弹射座椅，装备F-15，F-16，F-117，A-10，B-1B,和B-2。其改进型的速度包线已经达到0-1300公里。




ACESII是与俄罗斯K-36齐名的弹射座椅，这是F-22版

　　-英国马丁贝克公司1980年代设计的NACES MK.14,采用微机双态控制的典型三代产品，也是美国海军的通用型弹射座椅。装备F-14，F/A-18系列，T-45等机型。






装备美军F-14的马丁贝克公司MK.14弹射座椅

　　马丁.贝克公司的MK.16，则在MK.14基础上更上一层楼，将低成本、高性能和重量轻结合在一起，成为欧洲三代半机型的通用弹射座椅，装备包括双风（台风和阵风）、EF2000，F-35也选用了这一型号。





F-35的马丁贝克MK.16 US16E弹射座椅

　　细心的朋友问了，奇怪，为什么美国海军的三代机和四代机都不用本国产品，反而选用了英国的弹射座椅呢？

　　这里边有一个英国马丁贝克公司的励志故事：该公司创立于1928年，开始时只在英国市场打拼，在美国其实默默无闻。后来1950年代，马丁贝克在大西洋对岸开了一家分公司，并在1946年7月24日,该公司第一次完成了真人空中弹射试验。这在当时是非常惊人的，因为弹射座椅尚属创新事务，安全性如何大家都没底，因此都使用假人模型做弹射试验。敢用真人做弹射试验，说明马丁贝克对MK-5的产品可靠性非常自信。这种标新立异的自信也打动了美国人，甚至允许英国人在美国航母上做弹射试验。舰载机飞行员们饶有兴趣的观看了成功的弹射，并且在一片喝彩声中为马丁贝克打开了美利坚海军市场的大门。从此至今，美海军弹射座椅，就大多采用其产品甚至成为一种传统。而山姆大叔的订单，又等于为该公司提供了通向全球市场的通行证。仅其二代弹射座椅MK.10，后来就被62个国家47个不同机型选用。当然，MK.10产品也确实过硬，仅在海湾战争期间就挽救过28名飞行员的生命。而回顾历史，该公司生产的69000多套座椅，迄今为止（材料显示是2014年底）一共挽救了6994名飞行员生命，成为弹射座椅行业的大腕，这是后话。





截止到2015年8月13日马丁贝克弹射座椅的救生数据

第四代弹射座椅：咳咳，说到这个四代，就有点奇怪了。

　　四代做引从1970年代末就开始研发，其实与第三代座椅的后期发展可以说是相互交织，平行推进。三代座椅解决了速度和高度的双态控制，但是没有解决“第三态”，就是多飞行姿态的弹射问题。因此四代座椅的主要贡献，是解决两个问题。第一个，就是利用可控推力技术和可控飞行技术，实现战机复杂姿态的安全弹射，这是大气层内全状态弹射座椅的最后一个里程碑。四代座椅另外一个任务，就是扩大弹射的速度包线，实现超音速飞行的弹射保障。

　　奇怪在哪儿呢？

　　虽然前三代座椅的研制大致以10年为一个周期，可到了四代，就是这最后一个里程碑，一直从1970年代末走了快40年，直到今天，也没走完。这就是兵器迷说的奇怪之处。

　　为什么这么奇怪呢？

　　莫急，待俺细细道来：

　　前面说过，三代座椅的飞行包线，从高度和速度看，已经相当全面。如果飞机呈水平飞行，姿态稳定，飞行员的弹射可以说是十拿九稳的。

　　但是，问题来了——飞机要是呈水平飞行，姿态稳定，飞行员干吗要弃机跳伞呢？难道说飞着高兴过了钟点儿，一直飞到没油了不成？

　　可以理解，大多数弹射，都是发生在飞机受损、飞控异常、动力停车、飞行失速等飞机已经脱离控制的异常情况，其姿态、速度与高度都不利于弹射跳伞程序。在某些场景下，甚至飞行员都可能已经受伤，无法有效操控飞机的飞行。而在这些恶劣条件下，三代座椅的控制能力有限。而四代座椅要想解决这一问题，必须具有推力矢量可控和飞行可控技术，并在基础上发展自适应救生能力和生命威胁逻辑控制……等等关键技术。



70年代，美国海军测试的VSS弹射座椅，在倒置弹射后能迅速扭转姿态爬升

　　这些技术，哪一项也不是白给的，而且还要集成起来。这四代座椅几乎就是一个自动飞行器了。研发难度之大，可想而知。也正因为这个，四代座椅的研发快半个世纪了，却始终“在路上”。

　　技术性的问题，比较晦涩。愿意和兵器迷一起啃墙皮的同学，咱们第二篇再细聊。

　　有性子急的朋友问了，美德俄法都让你说遍了，那中国的弹射座椅进展到第几代了呢？

二、中国航空弹射座椅发展简史

　　1950年代-60年代末期，我国主要是装备仿制苏联战机，因此在弹射座椅上，也自然是生产苏联米格飞机系列的弹射座椅，满足装备需求。

　　1964年，中国航空工业试飞中心（以下简称“试飞中心”）才正式展开了飞机高空设备和防护救生飞行的试验研究。同年，航空救生系统组全面调试后，验收了全国首个大型立式弹射台，并正式交付使用。不过，面对试验台的科技人员却犯愁了。

　　这不是好事吗，愁啥呢？

　　唉，愁钱呗，TG当年的家底儿比纸还薄。而如同所有航空试验，弹射座椅试验的费用是很高的。有了设备，这试验经费不足，又摆在了中国航空人的面前。

　　既要省钱，又要得到可靠的救生系统数据。1965年，试飞中心创新性提出，开发弹射试验遥测记录系统，这样可以在一次记录弹射试验中，尽可能多的记录各项数据。这个当初仅仅为了“抠门”而产生的灵光一现，成就了我国第一代弹射试验遥测系统。这个技术此后被中国一代代航空人发扬光大，一直到现在，仍然应用在试飞中心的各项遥测项目中。

　　1969年，试飞中心首次进行了某型火箭弹射座椅的性能弹射试验，随后用3个月的时间，完成了包括零高度-零速度地面弹射试验及空中弹射试验。并进一步攻克了火箭滑车试飞技术，生产出中国的低速和高速火箭滑车。

　　这些技术和设备的研发成功，对弹射座椅是至关重要的。新中国就是从这一刻开始，大踏步进入了自主研制替代进口航空弹射座椅的全新领域，并且跨越了第一代弹道式弹射座椅的落后技术，第一个装备型号就直接进入了第二代火箭弹射座椅的研制。

　　在地面弹射技术发展的同时，另一条技术研发路线——空中弹射试飞技术也有很大进展。

　　1968年，试飞中心开始研究空中弹射试验机。

　　1972年，中国研制的空中弹射机进行了空中弹射试验，解决了我国弹射救生系统零高度-小速度下的飞行员安全救生问题。

　　1973年，空中弹射试验机结合火箭弹射座椅定型，首次成功的进行了空中真人弹射试验，并圆满完成了数十项弹射救生系统的定型和预研课题任务。

　　1978年，该空中弹射机系统获得全国科学大会奖。

　　1981年，弹射试验机在地面滑跑状态下进行弹射试验成功，扩大了试验使用范围。

　　改革开放后，特别是1996年后，中国军力的发展日新月异，弹射座椅的发展也加快了步伐：

　　1993年，颁布GJB1800-93《弹射座椅型乘员应急离机救生系统通用规范》

　　2000年，颁布GJB4049-2000《飞机应急离机系统通用规范》

　　2007年，颁布GJB1800A-2007 《弹射座椅型乘员应急离机救生系统通用规范》








轰-5弹射座椅试验机




歼-6弹射座椅试验机


　　今天的中国空军，已经大批量装备了国产第三代弹射座椅，这是值得每个军迷骄傲和自豪的。

　　有朋友说，不就是个座椅吗，说得那么神秘兮兮的，还“全国科学大会奖”，还“骄傲和自豪”，至于吗？

　　呵呵，您知道，就这么一把椅子，全球能够研制的国家有多少？

　　只有五个。和航空发动机一样，就是安理会五大常任理事国，中美英法俄。能够研制第三代弹射座椅的国家，更是只有四个（法国后来放弃独立研制，直接采用英国的产品了）。

　　别的不谈，就只说火箭弹射的关键地面设备之一：火箭撬滑轨试验场。这种设备是在火箭撬下面装滑块，然后依靠弹射座椅系统的火箭包的推力，在一个高精度轨道上高速滑行，最高可以达到超音速，用于测试零高度全速度的弹射效果。

　　这种轨道的建设，首先对选址的要求就不一般，而且地基要打好，最重要轨道的长度、承载能力、水平和垂直精度要求极高。几千米的滑轨轨道，必须全部精细焊接。投资很大。一开始只有美国有，现在也就只有五常才有。

　　中国试飞中心的航空救生研究所，具有亚洲唯一的火箭撬滑轨试验场（就这么个轨道，做轨道高铁起家的大日本帝国可没有这个东东，呵呵），长3132米（预计扩建到6132米长），在滑撬重4吨时运行速度1.2马赫。由中国航宇公司在襄北平原建造，投资6700万元，经10年建设于1997年12月正式建成。主轨相对于基准线、副轨相对于主轨在水平方向和垂直方向的允许偏差分别为±0.18和±0.20毫米，优于美国霍洛曼滑轨最优段±0.32和±0.29毫米的精度，轨道精度世界先进。






中国的火箭撬滑轨试验场

　　看着是不错，可话又说回来，就这样，中国弹射座椅研制的其他很多设备，与美俄的差距，依然很大。看下图：您瞧瞧美国的火箭撬试验场。




美国1963年建成占地7400英亩5条长度为1.8-2.3公里的火箭撬试验滑轨试验场

　　所以说，谁才够当安理会的五魁首？像阿三这样从步枪到炮弹都要进口的国家，居然也做这个梦，呵呵。就不掂量掂量，手里没几样硬货，就是人家让他坐了，那位子可坐得住？

　　扯远了，咱接着聊。

　　从1964年算起，到去年整整五十年，中国历经了地面弹射、火箭滑车弹射和空中弹射的发展过程，一共研制了八个型号的弹射座椅（批次改进型不算），其代号都以HTY开头，是“火（箭）弹（射）（座）椅”的拼音首字母。它们分别是：

　　HTY-1：第二代火箭弹射座椅，1960年代末研制。装备歼-6II，歼-7，强-5等机型。




　HTY-2：第二代火箭弹射座椅，1960-1970年代研制。是HTY-1的大改型号，改善了火箭包，改装了分离操纵系统，装备了救生-10甲救生伞和稳定-3减速稳定伞，弹射包线为时速250-850公里。装备歼-6III、歼-7II等机型。

　　HTY-3: 第二代火箭弹射座椅，1970年代研制，是中国第一个解决了零高度-零速度（即零-零弹射）的座椅。弹射包线为平飞时速0-850公里，飞行高度0-20公里。装备歼-7III和歼-8、强-5改等机型。



HYT-3弹射座椅

　　HTY-4：第二代火箭弹射座椅，1980年代研制。是中国首个达到时速0-1000公里救生包线的弹射座椅，同时可以控制在4000米以上不开伞，防止伞的破碎，因此加强了高空跳伞的安全性。但是并未做到对高速开伞的控制，而高速开伞也可能导致伞破。

　　HTY-6：准三代火箭弹射座椅，1980-1990年代研制。采用QKS-14速度-高度双态控制器。救生包线为时速0-1000公里，高度0-21公里。装备于歼-8II和“飞豹”等型号。其分支型号HTY-6C装备歼-7MG等型号。其分支型号HTY-6F成为轰-6救生系统STZ-7的一部分，一架轰-6装备3套该型座椅，并应用了侧向轨迹发散火箭，防止多套座椅弹射时相互碰撞。



HTY-6C型座椅

　　HTY-7：第二代火箭弹射座椅，1980-1990年代研制，是我国第一款采用穿盖弹射技术的座椅。装备于K-8和国内教练-8教练机等型号。这是一款很不错的产品。由于K-8本来就是教练机，故障率比较低，速度和过载都不大，加上HTY-7的性能也很不错，因此K-8没有发生过一等事故。HTY-7的缺点是，依靠座椅自身侧角的冲力撞破座舱盖，舱盖产生的碎片大小不一，容易划伤乘员。

　眼尖的朋友问，兵器迷，怎么HTY-4完了就是HTY-6和HTY-7，没有HTY-5呢？

　　是这样，HTY-5是有的，而且是我国第一款第三代弹射座椅，为了装备歼-10研制。它的立项时间很早，但是定型时间很晚，因此比HTY-6和HTY-7要晚装备。咱们这就聊到它了。




歼-10弹射座椅地面测试

　　HTY-5：第三代多（双）态控制弹射座椅，1980年代末-2000年代研制。采用了新型椅背火箭技术、微爆穿盖技术——舱盖中央有导爆索，碎片大小均匀、座椅出舱稳定, 可根据弹射离机时的速度、高度选择不同的延迟时间，控制射出救生伞及人椅分离的时机。弹射救生包线时速0-1200公里，高度0-21公里。 2000年，该型号座椅首弹成功。2001年，在定型试验中，试飞中心首次在弹射试验机上进行了多项不利飞行状态下的座椅空中弹射试验，这是我国第一次进行机动状态和高速状态下的座椅弹射试飞。型号定型后顺利装备歼-10系列战机。HTY-5的性能也非常出色。截止2014年，歼-10所有的二等以上事故中，除一起之外，所有飞行员均安然无恙。而且这一起一等事故，还不是因为弹射座椅造成的。2006年1月9日，在北京召开的全国科技大会暨2005年度国家科技奖励大会上，HTY-5弹射救生装置荣获国家科技进步二等奖。





　这里咬文嚼字一下：侯知健先生的文章，说歼-10的座椅是“三态控制，即速度、高度和时间三要素”，而“飞豹”战机用的是“简化的双要素机械控制器，只能根据弹射时的高度、速度来确定开伞，控制水平在三代弹射座椅里是最简陋的”，这是一种值得商榷的说法。因为在技术上，弹射双态控制器的意思，就是根据速度-高度这两个飞行状态的条件不同，进行弹射操作的程序控制。而程序控制中，就包含了如火箭点火时间、开伞时间、火箭包弹射方向等一系列控制要素。因此“时间”并不是控制的输入条件，而是控制弹射流程的输出要素之一。歼-10的座椅比飞豹再先进，也还是速度-高度双态控制器，但是在输出的控制要素上比“飞豹”的多，这是事实。





HTY-5，HTY-6和HTY-7弹射座椅

　　HTY-8：第三代多（双）态控制弹射座椅，2007年12月定型。该型号是610所在俄罗斯K-36座椅的基础上研制的。弹射包线达到时速0-1400公里，高度0-25公里，弹射筒工作最大过载≤20G，射救生伞时间0.7-2.45秒，救生性能可满足美军标MIL-S-18471GD要求。装备国产歼-11B系列、歼-15/S、歼-16等型号。HTY-8的性能很高，国产双发三代机飞行员的伤亡率很低。





　　既然中国的弹射座椅已经装备到第三代了，那么在研制弹射座椅时，又遇到了哪些技术难题呢？中国第四代弹射座椅的研制情况又如何呢？

　　
　如果我们把上篇算做弹射座椅的《历史篇》，那么这一篇，就是弹射座椅研制的《技术篇》。

　　首先说明一下，本系列文章讨论的只是弹射座椅的相关技术，并未覆盖所有航空逃生装备的类型。

　　这位问了，除了弹射座椅，战斗机还有别什么救生模式吗？

　　还真有。

　　比如，1960年代，为使高空高速飞行中的飞机驾驶员跳伞时免受高速、低温、缺氧等因素的伤害，美、苏两国在弹射座椅的基础上，又首先研制成功密闭和半密闭式的弹射救生系统。所以，侯知健先生的文章说“西方所根本没有想到、也没有做到的；就是将弹射座椅作为一个独立的飞行器看待”，其实值得商榷。美国曾设计了将驾驶舱整体与飞机脱离，即以驾驶员座舱作为逃生系统。比如F-111，就是采用整体座舱逃生。该系统具有18500米和2.5马赫的弹射包线。但是后来因为成本高昂，座舱和战机分离技术更加复杂，因而被后续机型放弃。不过，兵器迷认为，这种思路可以避开下面探讨逃生座椅时遇到的很多弊端，也许未来技术水平提高了，这种超前的座舱整体逃生模式，能够凤凰涅槃，亦未可知。


F-111的整体弹射座舱

　　回过头来，说弹射座椅。

一、硬件、程序和启动

　　首先，从硬件上说，弹射座椅型乘员应急离机救生系统主要包括弹射座椅、伞降系统、个体防护装备、供氧系统和救生物品等，涉及十几个个学科，是典型的人-机-环系统工程。

　　再从程序上说，飞行员气动弹射程序之后，系统动作大致分为抛盖、出舱、空中自由飞、救生伞拉直，救生伞张满、稳降六个阶段。最后一个阶段稳降其实与一般的伞降已经差别不大，只要前一个阶段救生伞张满时，伞降高度足够，能否安全落地依靠的是伞降环境和飞行员操纵，已经与弹射系统的关系不大了，我们不再讨论。



弹射座椅的工作阶段

　　前五个阶段，就是飞行员启动弹射程序后，从抛盖一直到救生伞张满，整个过程一般在3秒之内自动完成。在这个数秒中的短暂过程中，弹射操纵、弹射动力、程序控制、人／椅稳定、人／椅分离、救生伞等子系统及相关部件必须高度协同，以确保万无一失。

　　过去，为了防止飞行员误操作启动弹射，弹射手柄要远离正常飞行操作区，因此设在飞行员头部附近，要举手下拉。但是，如果遇到5G甚至更高的大过载弹射，飞行员全身都被过载死死压着，很难将手臂抬到头部上方启动弹射手柄。因此，现在的弹射座椅一般都把手柄置于两腿中央，中国的弹射座椅基本都是这个布局（参见第一篇的图）。不过，侧杆（side-stick）操纵的战斗机，也有把弹射手柄置于右腿外侧的。这两种低置启动布局，都可以有效降低启动弹射的动作难度，也缩短了下达弹射命令时间。




早期弹射座椅需要拉下防护面帘才能弹射






侧置弹射手柄的弹射座椅，用在X-15研究机上

　　启动弹射之后，座椅束缚装置将飞行员身体及腿部束紧，避免弹射时身体及腿部与座舱内设备的碰撞。


二、抛盖

　　弹射启动后的第一阶段，即“抛盖”，就是要在弹射飞行员出舱前，释放座舱锁将座舱盖抛弃，为飞行员弹出战机打开通路，离开飞机座舱，同时拉开之相连的牵引伞保险。按照技术原理，抛盖大概有以下四种方式：

机械抛盖：

　　原理：早先的抛盖方式，是通过液压或高压空气作为动力，驱动机械部件，将座舱舱盖抛离，然后弹射出舱。

　　缺点：机械系统重量大，关键是反应速度慢。而且，很多弹射的场景都是飞机已经失控的状态，因此液压或气动系统可能已经失效或基本失效，因此可靠性也受到了质疑。先抛盖再出舱，时间间隔不利于尽早开伞，也是一个重要缺陷。



早期飞机速度慢，使用机械抛盖就行了

物理穿盖：

　　原理：依靠弹射器本身动力，配合椅背顶部硬物直接暴力拆迁，撞破座舱盖——采用这种方式的座椅一般椅背的两侧都有穿盖叉做冲角。穿盖和出舱同时进行，这样可以比机械抛盖节省约0.3秒的时间。同时，由于穿盖叉是一个固定的金属结构，结构简单，可靠性高。





“枭龙”战斗机弹射座椅顶部的冲角

　　缺点：

　　1：万一顶穿不顺利或者只是顶穿了一部分，可能导致飞行员头部和脊椎受伤。

　　2：由于1的问题，即便顶穿过程顺利，飞行员也会下意识的缩头防止撞上舱盖。可就是这一缩头，就容易导致脊椎受伤。因为出舱时要求脊椎挺直，否则难以承受出舱高过载。

　　3：1970年代末期，开始出现了整体气泡式座舱盖。所用的材料是聚碳酸酯与丙烯酸酯复合的透明材料，再与钢化玻璃复合，强度高，难以实现可靠穿透。

火药抛盖：

　　原理：采用火箭或其他火工品，将座舱与飞机的连接解锁抛出后飞行员再出舱。在三代战斗机上相当一部分采用了这种火箭或火药抛盖弹射方式。F-22也使用了爆破抛盖，在座舱盖前缘安装了小型火箭，利用火箭抛离座舱盖，大幅缩短抛盖时间，并且还能利用火箭控制座舱盖抛离的轨迹与方向，避免与后继弹射的飞行员发生意外碰撞。



F-22座舱盖前部的抛盖火箭

　　缺点：与物理抛盖类似，耽误弹射时间，但间隔相对较短。或者时间配合不好，弹射器早于舱盖被抛，飞行员头部撞到舱盖受伤。




F-16抛座舱盖弹射



战斗机也可以只抛盖不弹射，由飞行员在舱内或地面救援人员在舱外操作

爆破碎盖：

　　原理：即将软式爆炸索安装在座舱盖上，爆炸索外铺设弹性胶条以减少向座舱散射的爆炸微粒、控制爆炸方向并降低噪音。弹射时通过电点火装置引爆爆炸索，直接把舱盖炸碎，碎盖和出舱几乎同时进行。

　　缺点：碎盖和出舱几乎同时，因此飞行员穿过碎片区时可能会被割伤。当然，一方面，气流会吹离碎片，再加上头盔、面罩等护具的保护，头部受伤的风险相对很低，但割伤衣服或者手臂还是有可能的。








F-35爆破碎盖弹射，可以看到贴在内侧的爆破索

　　总的来说，抛盖和穿盖（或碎盖）是两种主要的弃盖方式。从目前的发展看，穿盖是主流。特别对多座和垂直起降飞机而言，更是这样，因为多人弹射时每个人的座椅出舱角度都不同，那么舱盖抛弃是无论是什么轨迹，都有可能伤及飞行员。而垂直起降或者STOVL飞机，比一般战机会有更多的低空、高下沉率弹射，可能根本就没有足够时间先抛盖再弹射。



“鹰狮”战斗机的穿盖弹射测试

　　其实，三代弹射座椅比二代的优势之一，就是在低空或低速弹射时，开伞时间能比二代快一秒。这一秒钟可以挽救很多飞行员的生命，为此也要花费很多研发和设备资金。在这一秒钟里，有0.3秒，就是穿盖能比抛盖快所带来的贡献。

　　所以，航空航天科学的进步，就是这般不吝皓首穷思，费劲移山心力，就是这在一秒、一克、一米上下足了功夫啊。


三、出舱

　　弹射的第二阶段，即“出舱”，上面谈抛盖的时候，已经顺便谈过了出舱。就是安装在座椅后部的导向装置工作，弹射弹被击发，产生气体压力将飞行员连同座椅一起推向舱外。在座椅上升过程中，抗荷服、氧气面罩及耳机等飞行员穿着或佩戴的装置会自动与座舱分离。

　　这里，还有一个问题需要注意，就是飞行员对出舱过载的承受能力。这也是航空医学的重要课题之一。

　　航空医学研究表明，人体在弹射座椅系统的主要受力要素有四个：

　　1 过载：根据人体姿势的不同，脊椎能够承受的瞬间过载为16.3-20G。如果弹射出舱时的脊椎承受过载达到18G，则飞行员有10-15%的脊椎损伤概率。如果最大过载达到25G或者更高，就有可能给飞行员的脊椎造成永久伤害。另外，过大的负荷还可能出现飞行员大脑缺血性晕眩，甚至昏迷的情景。

　　2 速度：出舱弹射的速度控制在150-250米/秒，终速大约16米/秒。

　　3 时间：弹射出舱的时间应该在0.12-0.18秒以下，受理时间不能太长。

　　4 受力：最大承受出舱弹射力应控制在1470公斤以下。

　　此外，飞行员的正确出舱姿势对于加大承受能力和避免伤害也是有帮助的。如果在出舱弹射过程中，飞行员姿势前倾，则脊椎受到挤压甚至会导致压迫性骨折，脊椎骨形变为楔形甚至形成粉碎性骨折。最好的出舱姿势就是仅仅贴住椅背保持头颈正直，不缩不歪，不俯不仰。因此，在飞行员启动弹射手柄后，现代弹射座椅背的惯性绞盘，会在在弹射枪作用前先将肩带、腿带、腰带后缩，使飞行员牢牢确实固定于椅背上，避免弹射过程时因人员姿势不良、脊椎受力不当而受伤。更多详细内容请参见王立杰先生的文章。



弹射时肢体的固定，以及身体的姿势都非常重要


四：空中自由飞

　　弹射的第三阶段，即所谓“空中自由飞”阶段，是指从飞行员弹射出舱开始，当座椅上升到一定高度时，安装在座椅底部的一个或多个火箭包工作，加速座椅离开座舱的过程。人-椅在空中飞行，引导伞和稳定伞先后拉出，初步稳定座椅姿态，直到救生伞从座椅的头靠伞箱射出为止。

　　说是“空中自由飞”，听起来很浪漫的感觉——人在弹射座椅上坐着，在蓝天白云间自由飞翔，最好多飞一会儿才好，呵呵。

　　其实呢，这个阶段也大约就是不到2秒钟。比如，中国某型弹射座椅的数据表明，从启动弹射到救生伞射出，大约是2.48秒。

　　关键是，这个阶段，其实在很大程度上，决定了救生弹射的成败，在很多时候非常危险，甚至是最危险的弹射阶段。

　　为什么呢？

　　因为，飞行员弹射出舱后能否救生成功，首先需要确定的，就是座椅的姿态。在弹射救生领域，座椅的姿态主要是指座椅的滚转角、俯仰角和下沉度。如果座椅的姿态不正常，则会带来三方面的影响。

　　首先，是影响座椅的弹射轨迹，即弹射高度受到损失。而确保一定的弹射高度，是弹射救生的第一要务。一般在零-零弹射中，第三代座椅的弹射高度能够达到60-100米。中国某型二代座椅的弹射高度为60米，某三代座椅的弹射高度为107米。而在姿态不利的情况下，弹射轨迹高度将急剧降低，甚至很快达到负值（后文有详述），从而丧失救生性能。

　　第二、不稳定的姿态，将可能导致座椅姿态持续恶化。比如座椅后仰，就容易造成座椅翻滚，而倾斜的座椅可能导致持续翻滚，甚至能够把飞行员甩的严重受伤乃至死亡。

　　第三、不利姿态对弹射救生的后续阶段，如人椅分离、开伞等动作或动作效果造成严重影响。比如座椅的前倾（俯），就会导致弹射轨迹的前倾而影响开伞动作。

　　因此，如果能够控制弹射座椅的姿态保持正常，就会大大提高安全救生的概率。实际上，二代弹射座椅主要解决的是弹射“高度”控制，三代座椅解决的主要问题是“速度”控制（就是第一篇谈到的高度+速度双态控制），四代座椅的主要需求目标，就是解决“姿态”控制的问题（即速度+高度+姿态三态控制）。就是这个座椅姿态控制，困扰了各国航空救生机构整整四十年。

　　这位朋友问了，究竟是什么难点，导致座椅姿态异常呢？在四代座椅的研制中，又是采用何种方法来避免或者纠正这种异常呢？



这架CF-18的低空弹射姿态很不理想，可以看到座椅弹射在纠正姿态，保住了飞行员的性命

第一个难点，就是战机的飞行速度

　　在飞行员选择弹射时，飞机可能处于不同的飞行速度。试验表明，飞行速度最高在400-600公里时，弹射效果较好，但显然不可能都选择在低速飞行时弹射。而弹射时如果飞行速度过高，即便弹射时座椅初始姿态正常，出舱之后迎面高速气流过大，那么弹射座椅的火箭包动力，就难以克服高速气流带来的气动力，会导致座椅的运动发生较大改变。比如大角度后仰。而座椅的这种姿态变化运动，会反过来改变气动力；接着改变了的气动力进一步改变座椅姿态……这样相互耦合自激励，座椅的空中姿态就会越来越不稳定。

　　空中自由飞的时间虽然只有2秒多，但在总计3秒的弹射时间里比重是很大的。而且高速飞行时，弹射的双态控制器，会选择开伞时间较晚的程序。这是因为，如果高速时开伞过早，伞会被高速气流撕碎。因此，延迟开伞的持续，就会进一步造成座椅姿态不稳，影响座椅轨迹高度增加，造成弹射性能严重下降。

　在下图中，我们看到，国产某三代弹射座椅在相关测试中显示，零-零弹射时，座椅受到的气动力较小，弹射座椅火箭包的推力足以克服气动力造成的座椅抬头力矩。弹射高度超过80米，而在1100公里高速弹射时，火箭包推力无法克服气动力的抬头力矩影响，弹射轨迹最高骤然下降到40米以下。



某型弹射座椅的救生高度轨迹图（纵轴为高度，横轴为时间）

　　而且，如下图，在1100公里飞行时速时弹射，座椅俯仰角以大约一秒为周期，在-20°-42°之间大幅摆动，瞬时摆动速度甚至超过1000°，飞行员受到的瞬时过载超过40-50G。这种摆动进一步造成了弹射轨迹高度的损失，伤害了飞行员的肌体，大大降低了救生效果。



某型弹射座椅的俯仰角图（纵轴为俯仰角，横轴为时间）

　　高速飞行弹射除了对座椅姿态的影响，还带来一个问题。这就是超音速弹射时的高速气流，动压太大，对飞行员身体也会造成伤害。因此多数三代弹射座椅，都有弹射速度限制，以避免高速气流伤害飞行员。




弹射座椅的高速导流板设计

　　也正是因为这些原因，二代和三代座椅先后突破了时速850公里（0.7倍音速）、1000公里（0.8倍音速）、1100公里（0.9倍音速）的安全弹射，但此后一直未能再获得大的突破。正如侯知健先生文章所谈“美国海军统计了1976-1989年间的弹射事件，其中弹射速度超过926公里的弹射共计10人；就在这10人中，伤亡高达6死2重伤，只受到轻微伤害的仅有2人”。虽然美国和中国的最新弹射座椅，理论上速度包线都超过了1200公里音速，但在弹射救生的历史上，只有俄罗斯的K-36系列真正实现过超1马赫的弹射救生，且飞行员安然无恙，而且是个案。因此，超音速弹射，这也是四代需要解决的重大问题之一。


只有俄罗斯的K-36系列真正实现过超1马赫的弹射救生，且飞行员安然无恙，而且是个案

第二个难点：就是战机的姿态角度和下沉率

　　当战机在低空低速、大下沉率和低空高速俯冲时，飞机的滚转角度会加大。也就是说，虽然座椅相对飞机座舱是向上的，但是座椅相对于地面的速度方向，可就不一定是垂直向上的了。初等力学告诉我们，随着滚转角度的增大，弹射速度垂直于地面的分量会逐步减小。而当滚转角大于90°，甚至倒飞时，弹射速度的垂地速度分量甚至会达到负值。

　　有朋友生气了——高中物理我都还给老师了，讲什么“弹射速度的垂地速度分量会达到负值”，这不是要我好看吗？

　　好好，咱们换个说法：打个比方，飞机倒飞时，弹射座椅会直接向地面弹射，这下明白了吧？

　　类似同理，大滚转、大侧飞、倒飞、俯仰角为大负值、高下沉率，都会导致高度损失急剧增加，最终结果就是救生失败。

　　在下图6中，我们看到，国产某三代弹射座椅在相关测试中显示，飞行速度是比较适合弹射的450公里。但飞机俯仰角为-60°，滚转角度大于45°时，座椅弹射后一秒左右，弹射高度就会损失到0，意味着弹射后无法进入降落伞拉直和打开阶段，弹射完全失败。




某型弹射座椅大俯仰角的不同滚转角救生高度轨迹图（纵轴为高度，横轴为时间）

　　在下图中，我们看到，国产某三代弹射座椅在相关测试中显示，飞行速度是比较适合弹射的250公里。但飞机下沉率为50米/秒，滚转角度大于45°时，座椅弹射后弹射高度也会有很大损失，可能导致弹射失败。



某型弹射座椅大下沉率的不同滚转角救生高度轨迹图（纵轴为高度，横轴为时间）

　　咱们小结一下：

　　1 弹射座椅在零-零弹射时，轨迹高度最高，座椅姿态最稳定，救生性能最好。

　　2 高速弹射时，俯仰角变化，座椅姿态稳定性下降，救生性能下降。

　　3 低空低速大下沉率，或者低空高速俯冲时，由于滚转角变化和飞机速度分量的变化，救生性能急剧下降。低空大滚转高速弹射，最难以控制的救生姿态，

　　总之，三代座椅难以保证这些不利姿态的救生质量。



K-36的地面、5000米以下高度、5000米以上高度的弹射模式

　　因此，有些媒体宣扬什么“某型国产座椅具有零-零弹射功能，技术先进”，就很让人无语了。因为所谓零-零弹射，就是没高度，没速度的弹射，难度其实是很低的，根本就谈不上什么先进。中国早在1970年代研制的HTY-3就解决了零零弹射，从歼7-III和歼8、强五改等机型就已经能够实现这个目标。而现如今，哪个弹射座椅做不到零-零弹射啊？

　　当然，看了上面的难点解释，我们知道，其实速度和高度这两个零还不是最容易的弹射条件，如果俯仰、倾斜、下沉率这三个也是零，也就达到了某航空专家说的“五零弹射”，那才是最理想的弹射姿态。

　　有人问了？五个零，那是什么情况才会发生这样的弹射啊？

　　嗯，是很奇葩，不过还真有——就是飞机在地面上停着，飞行员误操作，拉了弹射手柄。就是教科书标准的“五零弹射”。





苏-35UB战斗机进行零-零弹射

　　因此在实践中，如果飞机需要弹射，那么弹射前，飞行员都会尽量调整飞机，使飞机转入平飞或爬升状态。这样的目的只有两个，一是获得较高弹射轨迹，二是获得有利的飞行姿态，然后再启动弹射。反过来说，飞行员会极力避免在大坡度盘旋、或高速俯冲等大过载、大滚转条件下进行弹射，道理是一样的。

　　曾经有一个双座机弹射案例，战机失去平衡滚转失控，需要弹射。后座飞行员先弹射，因座椅姿态不利而弹射失败牺牲；反倒是前座飞行员带杆修正姿态，然后再弹射，因为姿态稍好，虽然晚一点弹射，却获得了更高的救生高度而最终获救，就是这个意思。

　　不过，也有反例。如果弹射战机已经存在较大的下沉率和负仰角，则飞行员需要争取弹射时间，尽早弹射离机。尤其对于抛盖方式和多乘员型飞机，由于抛盖机指令弹射系统延时，会进一步加剧高度损失，对弹射时机的把握更是毫秒必争。

　　此外，在弹射时，人椅的重心位置应与推力轴线保持住一定范围之内，避免重心过于靠前或者靠后，以获得良好的弹射弹道。

五：降落伞拉直-降落伞张满

　　弹射的第四阶段，即所谓“降落伞拉直”阶段，则是从降落伞从头靠伞箱射出，乘员与座椅的各种约束接触，人-椅分离瞬间开始，到救生伞系统全长拉直为止。那么，什么又算是降落伞全长拉直呢？在专业上，降落伞拉直定义为：

　　伞绳拉直长度=伞绳长度+伞衣半径

　　也就是说，当降落伞的全长达到伞绳长与伞衣半径长度之和的时候，降落伞就拉直了。

　　再往下，就是弹射的第五阶段——“救生伞张满阶段”。是从降落伞拉直开始，直到降落伞第一次充满为止。

　　降落伞拉直阶段和降落伞张满阶段，人-椅系统的研究对象，变化为人-伞系统。而且大家完全可以理解，随着降落伞的充气体积增大，这个人-伞系统的外形、质量在充气过程中连续显著变化。因此，充气过程的人-伞系统轨迹和开伞动载的计算方法非常复杂，而且到今天都远未完美。国内外关于这两个阶段的模型，其模拟程度并不高。

　　实际上，空中自由飞阶段如果是正常的，即高度条件、姿态条件、速度条件良好，就能够为后续的降落伞拉直和充满提供有利的条件，那么这两个阶段就会比较顺利。而这些约束条件是有严格规定的。比如，GJB1800A-2007 《弹射座椅型乘员应急离机救生系统通用规范》就规定：救生伞第一次张满时，乘员离地高度不得低于6米。这样的细则，我们就不赘述了，

　　与出舱的时候类似，在出舱之后到开伞，为了避免飞行员身体受到损伤，同样要求适时做出防护动作。即收紧身体，抵抗冲击。但如果弹射过程中飞行员已受伤，就可能无法完成这些动作，导致受到二次伤害。如果造成脊柱损伤，即使跳伞成功，也无法恢复飞行，甚至造成终身残疾。我国著名飞行员徐勇凌在1987年第一次遇险弹射前，准备时间相对充裕，做出了必要的防护动作：蜷曲手脚，保持脊柱直立。身体基本没有受到损伤。而1999年低空、高速弹射时，来不及做出防护动作，出舱时受到冲击而身体受损，开伞时更无力作出防护动作，造成腰部肌肉被严重拉伤。经过康复治疗，徐勇凌后来得以重返蓝天，这已经是非常幸运的了。



弹射过程中完整的开伞过程


六、低空复杂弹射的首要关键因素

　　结合前面的讨论，最后再强调一点。这就是，虽然弹射高度对安全弹射具有非常重要的意义，但仍非低空复杂姿态安全弹射的首要关键。

　　首先，从上面的讨论我们知道，弹得更“高”其实是弹得离飞机“远”，但复杂姿态下未必是离地面更高。这也是为什么，俄罗斯的K36系列最新改型弹射座椅，在速度小于650公里/小时，且滚转角度大于90度时，主动力火箭包根本不工作，就是为了避免形成高度损失。退一步，即使弹的确实离地面有高度，如果弹射时飞机下沉率很高，安全高度也会迅速损失。最后，如果仅仅弹射高就能解决一切，那只要增大火箭包弹射力量就好了。但短时间弹射太高，说明弹射载荷很大，飞行员身体也未必受得了。

　　那么，低空复杂弹射的关键要素究竟是什么呢？

　　这就是：从启动弹射到降落伞张满这五个阶段的总时长。缩短这个总时长，才是低空弹射的设计关键。只要能够让降落伞尽快张满，哪怕飞行员有每秒60米的下沉率，也会迅速降低到每秒5-10米左右。请大家记住这个关键，我们下一篇分析时要用到它。

　　第一篇发贴后，CD有网友说“中国的弹射成功率水平是世界倒数的”。这个话说得似乎以偏概全，有失公允。一方面，中国三代机如歼-11系列和歼-10系列的弹射成功率还是非常高的，歼-10自不必说（2014年底为止100%弹射成功），就是歼-11有过惨痛的弹射失败，但弹射成功率高这个事实，还是需要肯定的。另一方面，我军弹射座椅中，弹射失败率较高的，是这样两个机型：

　　第一、 早期的歼-7，采用米高扬设计的带离式弹射救生装置，系统复杂，质量低劣，很容易失败。到歼-7II已经获得很大改善，1985年全年发生5次弹射，全部成功。


米格-21F-13的带离式弹射救生装置

　　第二、 早期的轰-6，彼时中国尚未攻克多乘员弹射座椅的折流片侧推技术，弹射程序非常繁琐。6人机组中，2人向上弹射4人向下弹射。从弹射离机到伞张满达10秒以上，低空离机成功概率极低。轰-6装备后的8起一等事故中牺牲了41名飞行空勤人员，只有2人弹射成功。到了轰-6K已经获得解决。








轰-6K已经彻底解决了老轰-6的弹射救生问题

　　以上两个机型，弹射座椅都有很大的设计缺陷，也附带有质量问题。因此设计和工艺改进后，弹射效果有很大提高。近年来公开媒体报道较多的，反倒是歼轰-7“飞豹”战机的一等事故（机毁人亡）。那么，我们又如何利用上述知识，去分析其具体原因呢？




谈谈我国战斗机/教练机的弹射座椅

　　今年5月13日，海军航空兵学院一架初教-6飞机在起飞以后遭遇发动机空中起火。飞行员判定已经无法维持飞行后，操纵飞机进行大角度转弯，以避让紧靠机场的人口密集居住区域，随后以很大的俯角坠向地面树林，飞行员英勇牺牲。事故虽由发动机引起，但初教-6在救生性能上的缺陷也无法忽视。



初教-6的设计年代太早，救生设计实在是无力完成

　　从技术角度来说，本次初教-6事故中即使是到了最后关头，飞行员的生命依然是可以依靠优秀的弹射救生设备所挽回的。但是初教-6没有弹射救生功能，飞行员要跳伞必须自己解开安全带、推开座舱盖跳出飞机。这一方面的空白主要源于时代局限，初教-6是我国最早设计制造的飞机之一，设计始于1957年，定型于1962年，而我国当年并没有弹射救生系统的研制能力。




L-7飞机，注意座椅上方两个朝不同方向歪斜的大黑坨，它们就是带有穿盖功能的牵引火箭。L-7也对民用和出口市场销售，因此按道理对研制进度不会做很严格的保密，反而需要更多的曝光度来吸引潜在买家

　　我国目前已经在发展新一代的初级教练/运动两用飞机L-7，用于替代初教-6飞机。为了在克服初教-6没有弹射救生能力缺陷的同时，更好的针对初教机飞行高度低、速度低、而且不能容纳过重救生设备的特点进行针对性设计；L-7并没有采用传统战斗机的弹射座椅技术，而是采用了另一种相近的技术，火箭牵引救生。

　　火箭牵引救生和常见战斗机的弹射座椅救生的最大不同，在于前者只把飞行员牵引出去，而座椅仍然保留在座舱内。由于缺乏座椅赋予的牢固约束和保护，火箭牵引救生不能用于高速弹射救生，因此在战斗机中没有采用这种设计的型号。




F7U-3战斗机的火箭牵引救生系统的座椅，可以看到结构明显比常规弹射座椅简单得多




火箭牵引救生原理








火箭牵引系统弹射试验照片

　　这种技术由美国斯坦利航空公司研发于上世纪60年代中期（扬基系统，Yankee system），截止1982年底交付了720套产品。而到1983年为止，总共有83人使用该系统，77人获救，救生成功率达到92.8%，比美国空军当时总救生率高10%。应该说是一种比较可靠有效的技术。

　　L-7飞机采用的是SQZ-1型牵引救生装置，这是我国第一套火箭牵引救生系统，于2009年开始研制。在飞机保持平飞状态时，它能够满足0-400公里/小时速度范围内、4000米高度以下的救生需要，可以实现零——零弹射。

　　这种救生方式有不少的优点，包括采用穿盖弹射，没有抛盖过程带来的延迟；飞行员空中姿态稳定性好，对脊椎损伤的危险性较低；不会出现人、座椅之间或者座椅与稳定伞/救生伞互相干扰的问题；而且结构简单紧凑，对飞机内的空间和重量占用都很小，可以很容易的装载在各种小型飞机上。当然，从采购成本上来说也要低很多。




SQZ-1系统中的HQY-1座椅。1：伞箱。2：牵引火箭。3：伞箱锁。4：骨架。5：弹射筒。6：腰带锁。7：座高调节接口。8：爆燃机构。9:椅盆。10：整体座垫和腰垫。11：中央拉环

　　当飞行员拉动中央拉环以后，SQZ-1的爆燃机构开始工作：一方面把伞箱锁、飞行员腰带/负过载带释放掉；同时启动弹射筒，牵引火箭穿破座舱盖、将飞行员拽出座舱。当飞行员离开座舱一定距离以后，弹射筒牵引带被释放掉，射出牵引火箭、并拉直火箭牵引带。牵引火箭总共燃烧0.7秒，最后0.1秒牵引火箭会与飞行员分离并顺势拉开伞箱的封包，释放救生伞并充气张满，飞行员就可以乘伞稳降着陆。



弹射座椅在弹射筒工作阶段必须垂直发射，只有在弹出座舱、主火箭点火以后，才能依靠侧向的额外推力火箭来实现轨迹的侧向偏移

　　火箭牵引技术对于教练机这样的双座机型来说，有个特别重要的优势：座椅的弹射筒可以设计成朝一侧倾斜的状态。比如SQZ-1系统的前椅右倾13度，后椅左倾13度。由于前后飞行员弹射时的初始轨迹就能形成26度的角度差，大大降低了两名飞行员在空中相互干扰的可能性，因此前后座的弹射间隔时间要远远小于普通的双座战斗机，这在低空弹射中尤为重要。



HQY-1座椅的前舱单独弹射试验

　　不过令人有些奇怪的就是，L-7飞机作为一款技术上并不复杂的型号，公开已经多年；然而时至今日，既不见它定型量产，也未见关于它的更多报道。作为一款兼具民间和出口市场定位的产品来说，这实在是颇有些奇怪。

　　如论如何，初教-6已经服役数十年，确实到了该让一代新人换旧人的时候了。希望L-7飞机能早日顺利完成定型，给我国的飞行员训练工作带来更大的安全保障。



控制简陋、双座抛盖、座椅不佳——飞豹事故伤亡率高的三大主因



弹射座椅工作原理

　　在我国的现役战术飞机中，歼轰七飞豹曾经多次出现过前后座飞行员双双牺牲的严重事故。单纯从技术角度来分析的话，气动外形/飞行控制的总体设计过于保守、双座舱抛盖设计不利于弹射救生、配套的通用型弹射座椅性能不佳，是导致这种局面的三个最重要原因。

一：机翼对附着气流的控制能力不足，易于引发飞豹失速

　　飞豹基本设计成型于1977年，受限于当时技术水平，较为先进的气动和控制设计例如通过边条翼引入涡流升力、翼身融合处理、电传飞控系统等均未考虑。而在当时的方案选择中，为了将设计难度和风险减到最少，设计单位又选取了其中最为保守的一个方案，这就是后来飞豹易于失速的祸根。


歼轰-7A型的814号原型机，注意机翼前缘没有机动襟翼（威猛摄影）

　　升力归根结底来自升力面（以下均以机翼为例）上下表面气流由速度差引起的压力差，依照气流速度高的地方压力较小的规律，增大升力就要设法提高机翼上表面气流的流速。当机翼的与迎面气流的夹角（迎角）增大时，气流通过机翼上下表面的路程之差也随之增大；这便意味着机翼上下表面气流速度差的增大，或者说升力的增大。

　　这就是为什么战斗机要强调大迎角能力。但迎角太大以后，巨大的压力差就会撕裂、揉碎原本附着在机翼上的规则气流，留在机翼上表面的都是很多紊乱的小分离漩涡；这时候机翼上下表面的规则气流之间的压力差就会迅速减小，飞机就进入丧失升力的失速状态。




升力的本质就是机翼上下表面的压力差（上），加大迎角能加大升力，但过头就会引起气流分离导致失速（下）

　　失速现象在扇叶设计不佳的劣质电风扇上也能见到：气流突然无法继续附着在扇叶上，电扇突然声音变得很大，振动也强烈起来（分离漩涡的振动）；虽然还在高速转动，但风力却变得极其微弱。试想一下，在空气中吃不住力的不是扇叶，而是飞机的机翼，那会发生什么样的事情？答案就是飞机打着转往下掉，俗称尾旋，不能及时改出这个状态就只能坠毁。



814号样机飞行表演时的坠毁过程瞬间，后舱飞行员弹射成功，前舱飞行员壮烈牺牲

　　推迟机翼失速极限的办法有很多，战斗机里最常用的手法就是机动襟翼；它可以通过灵活改变机翼的弯度，兼顾平飞时的低阻力与大迎角时的高失速极限。但是机动襟翼需要进行电气化的自动控制，它是根据空速等传感器数据来自动工作的；当时设计单位认为风险较大，放弃了这一设计。s




机械飞控飞机也可以采用机动襟翼，比如我国在歼-7E/G上的应用就很成功

　　最终飞豹由于欠缺机动襟翼（它后缘的襟翼不允许高速下使用，也无法自动调节，只能用于起飞和降落），而且本身机翼设计受时代水平限制并不很好；飞行中机翼容易形成气流分离，对失速比较敏感，很容易进入尾旋。虽然在机翼外侧设有锯齿，老飞豹上还有翼刀，但都没有太明显的改善作用。


二：双座抛盖设计需要消耗更多的救生时间

　　飞豹作为战斗轰炸机，在执行任务时主要都是在中低空、甚至是超低空活动。一旦出现失速，往往没有挽救飞机的机会，而是必须马上进行弹射逃生。但双座飞机的弹射本身就相当麻烦，后、前座必须拉开弹射时的间隔，否则弹射座椅的火箭喷流互相烧毁座椅伞具烧伤飞行员、前后飞行员相撞、伞具空中纠缠的概率会非常高。



K-36系列座椅为了适应并列双座布局，添加了弹射轨迹发散功能

　　美国针对这种问题开发了弹射轨迹发散技术，在座椅弹射以后通过侧向火箭等动力使前后座椅向左右不同的方向交错飞行，使弹射间隔可以缩短到0.5秒。而缺乏这种设计的飞机，不只是飞豹，也包括苏-27、苏30在内，需要0.9~1.2秒的时间。而且飞豹系列飞机一直沿用了抛盖弹射设计，抛除座舱盖本身又需要0.3~0.4秒的时间。而这多出的零点几秒、一秒多的时间，在战斗机低空弹射时往往就是生与死的差别。



抛盖弹射

　　我国曾有一次教八飞机双座弹射，后舱飞行员先行弹射获得成功；而前舱飞行员弹射时就已经错过时机不幸牺牲。这样的事故，在飞豹上也出现过。2011年10月14日，陕西蒲城，试飞院一架编号814的JH-7A原型机在飞行表演时坠毁，前舱试飞员余锦旺牺牲，后舱飞行员在触地前一刻弹射逃生。

三：HTY-6通用型弹射座椅性能不佳

　　我国自主开发了两款服役的第三代弹射座椅，歼-10由于采用了高过载座舱设计，座椅后倾达到22度，因此为它专门开发了一款性能较高的HTY-5座椅。而歼-11B/歼-15等型号，则装备了苏-27系列原装的K-36D座椅基础上开发的仿制型，这个系列的弹射座椅性能也是国内最好的。尤其是高速救生能力，K-36系列的性能在全世界范围内都是独一无二的领先。



HTY-6弹射座椅

　　而新飞豹上适用于13度后倾设计的第三代HTY-6弹射座椅，因为主要作为装备二代机的通用型装备开发，性能比较有限，不论是高速救生能力还是低空救生能力，都和歼-10上装备的HTY-5差距很远。

　　被人们津津乐道的零零弹射能力，其实只是第二代弹射座椅的基本要求。而第三代弹射座椅的关键，在于根据弹射时的高度、速度、姿态等条件不同，选择最合适的开伞方式和延迟时间，尽可能减短飞行员从启动弹射到开伞的时间。

　　比如飞机高速弹射时，如果飞行员一弹出去就开主伞，巨大的气动阻力和减速过载能够直接就把伞衣撕碎、把飞行员甩扯到致伤致死；必须先开稳定伞，再经过一段时间的延时，姿态稳定速度减小以后才能开主伞。但如果低空弹射还照搬这些动作顺序和延时，飞行员等不及开伞就要摔到地上。

　　相较于HTY-5的三要素（速度、高度、时间）电子程控器，HTY-6采用了简化的双要素机械控制器，只能根据弹射时的高度、速度来确定开伞，控制水平在三代弹射座椅里是最简陋的。这使它在面临低空复杂姿态——比如飞机侧翻、甚至倒扣状态下的弹射时，性能表现比较弱，需要更大的高度才能完成对飞行员的安全救生。

结语：

　　由于气动和控制设计过于保守，缺乏对机翼气流的控制能力，飞豹本身就容易进入失速尾旋状态。而由于它主要在中低空甚至超低空活动，一旦失速飞行员就很难有挽回飞机的机会，必须弹射。而弹射系统本身性能的不足，又明显降低了飞行员的救生成功率。飞豹的几次严重事故，都是由这三个因素联合作用引发的。

　　血洒长空，英魂铸剑；愿为国捐躯的英雄们安息，愿未来的装备越来越先进完善。



歼-10的弹射座椅的高速缺陷




HTY-5弹射试验，注意座椅与座舱之间有根稳定绳，它对座椅出舱姿态进行稳定

　　歼-10上装备的HTY-5弹射座椅，是我国第一种三代座椅。HTY-5的主要结构和控制系统设计均参考自当时英美的早期第三代座椅，在基本设计风格上和我国长期使用的苏联座椅完全不同。

　　比如主动力火箭的形式，俄式产品喜欢做成火箭包，平铺在座椅最底部；而HTY-5则采用椅背火箭，贴着靠椅安装，这是非常典型的西方风格。而HTY-5采用三要素（高度、速度、时间）电子程控器来进行开伞控制，更是同时期苏联/俄罗斯产品并不具备的先进技术——当然具体的控制效果高低另当别论。

　　实际上翻阅1984~1987年我国涉及到弹射救生的研究资料，其实验内容和引用数据、论证思路、远景性能规划等方面，都明显是沿袭西方设计思想；实际上这一领域，苏联开拓的方向才是光辉大道，但显然国内根本没接触到苏联的先进设计思想。

　　包括HTY-5在内，所有的西方式早期三代弹射座椅都存在一个非常致命的设计缺陷：高速飞行时的稳定性非常差，极易使飞行员在高速弹射时受伤、死亡。美国海军统计了1976-1989年间的弹射事件，其中弹射速度超过926公里的弹射共计10人；就在这10人中，伤亡高达6死2重伤，只受到轻微伤害的仅有2人。











HTY-5的动力火箭，装在椅背的外侧

　　而HTY-5的救生性能，并未超过美国海军这一时期所采用的装备水平。尤其是在一些对材料、工艺、设计要求较高的方面，HTY-5受制于国内工业和科研基础还要弱一些，比如救生伞的最大开伞速度等性能。

　　因为一直找不到突破的方法，西方在弹射救生理论中长期认为，敞开式弹射座椅的速度极限不能超过1100公里/小时，这也成为了HTY-5设计时的指标极限。而美国更是在1984年下定了巨大的决心，展开了新的研制规划，要把弹射座椅的最大救生速度做到1300公里/小时。

　　然而苏联人早已看穿了一切，装备于苏-27/米格29的K-36弹射座椅具备极其出色的高速稳定性设计，其最大弹射速度可以达到1400公里/小时。时至今日，除了K-36座椅自己的山寨仿制货；仍然没有任何一型西方式的弹射座椅，包括F-22的座椅在内，能在高速弹射救生领域与之一战。




很多人误以为弹射座椅是靠火箭动力出舱的，其实它是用活塞弹射筒给弹出去的。依靠火箭做二级动力，弹射座椅才能在人受得了的情况下飞更高；这就是所谓零高度、零速度弹射的性能突破。00弹射，只是第二代弹射座椅的标准，真的不是什么先进能力

　　首先最容易理解的就是高速气流的吹袭，如果不加以固定和约束来保护的话；高空速度达到873公里/小时（文献中压力3700公斤/平米，计算出高度6500~7000米间；若在海平面只需619公里/小时）以后，不到0.1秒就能让髋关节完全外展。一个身强体壮的毛腿大汉，在瞬间（不到0.1秒，人体视觉都看不到过程）被人强掰M字大开腿或者一字马到底无法反抗，是一种怎样的感悟？这可真是个知乎体的好问题。

　　虽然现代弹射座椅都会很有情趣的用约束带绑住飞行员的腿，用铁架子（限臂器向下偏转）挡住飞行员的手；但在实际高速弹射中，仍然无法阻止飞行员的肢体甩打。高速弹射失败中最重要的死因，就是座椅弹出座舱后受到巨大的气动阻力，带着飞行员在空中以很大过载进行减速时，又极其剧烈的朝各个方向进行翻滚；同时肢体和头部受气流吹袭和翻滚的作用，猛烈的扭曲甩打造成头、脖子、胸部的严重外伤。




注意卡住飞行员小腿的束缚机构，大腿边上有挡板，肩臂不仅有挡板还添加了阻拦网



　　事实上西方三代弹射座椅的稳定设计快速发展是在90年代以后，当时他们已经获取了苏联K-36座椅的资料和实物，美国还与俄罗斯进行了K-36的联合改进研制。包括HTY-5在内，西方早期三代弹射座椅对高速稳定性并非没有考虑，但具体设计往往并没有什么........用。例如HTY-5的稳定设计有两个，一个是7米长的稳定绳，对座椅弹射出座舱的过程有一定效果；另一个是在座椅的背后，有一个两点连接式的稳定伞。

　　由于稳定伞始终处于座椅背面的紊流区内，它事实上不能起到有意义的效果。这一点最早在试飞鉴定中被确认：“高速弹射试验中人椅系统稳定性较差，三向角速度值较大且变化剧烈，应采取措施，提高座椅在高速状态下弹射时人椅系统的稳定性。”当时的弹射速度还不到1000公里/小时。



F-35弹射座椅的稳定伞，HTY-5设计与之非常类似




HTY-5

　　后来研制单位在全国安全救生学术交流会上也坦承，HTY-5的稳定伞“有一点点偏航稳定效果，高速时基本起不到偏航稳定的作用”；而且座椅朝各个方向翻滚时的角速度“最高达到1350度/秒，这种情况下飞行员即使生还，其受伤概率也一定是很高的”。这意味着飞行员会在瞬间峰值达到35~40倍重力、而且重力方向不断急剧变化的情况下，维持2~2.5秒的高倍重力急剧减速状态，每秒钟还要转上接近四圈，已经严重超出了美国海军标准中的安全极限（1000度/秒）。

　　目前HTY-5目前的救生成功率仍然维持在100%，关键原因在于现阶段歼-10的坠机事故几乎全部来自发动机失灵；飞行员仍然对弹射时机有很大的控制能力，可以降低到安全速度范围内弹射。如果真进行900公里/小时以上的高速弹射，以HTY-5在鉴定试飞中的表现，不会比美国海军统计中的60%死亡率低。



这张图其实已经将K-36的高速稳定设计几乎全部展示了

　　2009年HTY-5的电子控制器进行了一次技术升级，进一步优化了低空救生能力；但并没有改进座椅基本设计、强化高速稳定性的公开消息。而我国二代机（包括飞豹系列）上装备的通用型HTY-6座椅，由于性能定位较低，则完全没有稳定性设计。

　　当然时代总在进步，HTY-5毕竟是我国第一次自研弹射座椅，加上80年代确实没有什么技术底子，性能上存在较大局限性才是合理的情况。而且从低空救生能力来说，HTY-5的表现是可以赞同的。在国内新一代弹射座椅的研制虽然目前公开的资料很少，但从对于稳定性设计的特征点披露来看，它对于K-36座椅的核心设计优点基本都进行了继承。

　　实际上说得比较赤裸一点的话，不排除是在K-36平台的基础上，修改具体结构（比如座椅角度）、弹射方式（比如抛盖改穿盖）、强化控制系统，甚至添加主动飞行控制能力等等。在国内的新研制机种里，值得如此下本的应该也只有歼-20了；具体新一代座椅的性能将会进步如何，还有待日后的资料披露。


歼-20弹射座椅哪家强？改进型K-36座椅才是未来的最佳选择

　　从目前歼-20曝光照片中的座舱细节研判，目前歼-20采用的弹射座椅头靠下方没有出现稳定杆容纳筒，而且角度也较为接近歼-10上的22度设计。结合一些我国下一代弹射座椅发展方向（强化稳定性设计，几个结构特征点例如挡流板、抬腿机构等特征与K-36高度一致）的资料，基本可以确定现阶段歼-20采用的仍然是歼-10上的HTY-5弹射座椅。



　　然而对于强调超声速巡航、高速飞行时间比例前所未有的四代机来说，HTY-5由于稳定性设计不足引起的高速救生能力缺陷是无法弥补的。而在目前来说，全世界范围内，只有苏-27系列的K-36座椅稳定性设计是最可靠、最成熟、性能最优越的。

　　无论是从技术角度来分析，还是考虑到我国已经引进K-36座椅多年并将其国产化的背景；与其最后在HTY-5的基础上改进出一款类似K-36座椅稳定性设计的产品，不如直接在K-36座椅上进行改进，协调座椅靠背的后倾角度、强化开伞控制系统。

　　从莱特兄弟的飞行者一号算起，人类的航空时代不过一百一十多年。在航空史上，还从来没有过其它的任何一款设备，能够达到苏联K-36弹射座椅在高速救生领域的成就。虽然即使在当时也没有世界一流的材料与工艺，但K-36座椅依靠着极为出色的基本设计，即使已经过去了五十年，在性能上依然压制着整个地球的同类产品——包括F-22采用的弹射座椅。




美国对K-36座椅的测试，前方防护板伸出，手肘处限臂器挡板放下，座椅两侧稳定杆伸出，注意飞行员的腿被抬高了

　　K-36座椅研制于上世纪60年代，苏联在吸取大量事故经验以后，将新一代弹射座椅的设计核心锁定在了两个方向。第一个方向与西方相同，也是第三代弹射座椅的共同标准：根据具体的弹射情况，比如高度、速度，灵活的调整开伞动作与时机；保证即使是在低空低速、飞机处于极端不利（飞机有很大下沉速度、侧翻、倒扣）的情况仍然有很强的救生能力。在这一方面，K-36同样非常优越；即使是在采用了带有0.3~0.4秒延时的抛盖弹射方式以后，它的低空低速救生表现依然令人叹为观止。

　　尤其是K-36的救生伞和开伞设计也非常先进。它的ПСУ-36救生伞采用了开缝结构，由8个对称开缝实现高低速双模工作：低速时开缝很小，救生伞特性与未开缝、未收口的降落伞接近，阻力大，减速快，很低的高度就能进行安全救生。而高速时，开缝会在大速压下强制打开，直接排出一部分气流来减少开伞载荷，避免损坏。



ПСУ-36救生伞

　　ПСУ-36救生伞的最大开伞高度达到6000米，最大开伞速度达到650公里/小时。而歼-10采用的HTY-5最大开伞高度4000米，最大开伞速度600公里/小时。飞豹、歼八等二代机采用的HTY-6座椅最大开伞高度和速度则仅有3000米、520公里/小时。

　　而K-36座椅的第二个设计方向，是西方所根本没有想到、也没有做到的；就是将弹射座椅作为一个独立的飞行器看待，采用特殊的设计使座椅弹射出座舱以后能够大幅改变自身的气动外形，形成稳定可控的飞行状态。在这个基础上，K-36得以极大程度的缓和了弹射座椅在减速过程中对飞行员形成的巨大过载，而且极大的缓和了高速气流对飞行员的吹袭伤害。这就是K-36座椅在高速救生领域独步天下的秘诀。而类似的将弹射座椅作为独立飞行器、实现飞行姿态能主动控制的思路，已经是第四代弹射座椅的性能特征——迄今为止，人类尚未完全研制成功这一级别的产品。最为接近的三代半座椅，仍然是K-36家族的最新改型。



K-36座椅，注意大腿的托架，弹射时会举高。头靠两侧的圆筒里藏着收拢状态的稳定杆

　　K-36座椅的气动控制设计分为两个部分，气流防护系统与姿态稳定系统。气流防护系统有两个作用，首先是减弱高速气流对飞行员吹袭，其次是减小座椅的整体阻力，避免减速过于急剧，超过飞行员生理承受能力的极限。

　　高速气流具备非常大的能量和破坏性——爆炸形成的冲击波从本质上讲，就是气流的高速运动。当飞行员暴露在高速气流中时，即使是佩戴有护目镜、氧气面罩；仍然非常容易被气流吹伤面部、顺着呼吸和消化系统结构吹伤肺部以及食道肠胃。

　　K-36的气流防护系统由导流板、抬腿机构、限臂器挡板三者共同组成。在弹射时，导流板和抬腿机构都会升起，导流板和限臂器挡板会挡住相当一部分迎面气流，使其绕开飞行员的头胸部和手臂；而抬腿机构会抬起飞行员的大腿向上太高，减小迎风面积。K-36D在1352公里/小时下的减速过载，仅与美国第三代ACESII座椅（装备F15等）在833公里/小时下相当；而同一款座椅在1352公里/小时下的受力，几乎三倍于833公里/小时。



K-36的稳定杆/伞系统如何避开座椅后方的紊流区，这个角度更直观

　　K-36D不仅高速过载低，而且姿态稳定性非常好。这得益于它采用了两根伸开后长达1.8米的稳定杆、以及可旋转的稳定伞系统。两根稳定杆在航向基础上外展15度，使稳定伞处于椅背后的紊流区以外；不论姿态如何变化，始终有一根的稳定功能处于强而有效的状态下，能够迅速把座椅拽回正常姿态。这使K-36D座椅能够始终保持着“立姿”状态，这个状态下减速过载的方向始终是飞行员的胸背方向，人体耐受能力最高，受伤几率最小。

　　K-36座椅的性能之优异，就连美国也心服口服赞不绝口，以至于在90年代联合俄罗斯研发K-36座椅的改进型，并参加其下一代战斗机的竞标。这一项目下催生的K-36D-3.5座椅，一改俄式装备粗重、控制功能简单的劣势，集俄美之长获得了部分四代弹射座椅的性能，是现在世界上最先进的型号。

　　K-36D-3.5的改进主要来自三个方面，首先是重新设计了一遍结构，采用新的材料和工艺；这使它在增加了不少部件以后，总体尺寸更小，重量大幅减轻25公斤，而且座椅靠背角度可调，可以装备在更多飞机型号上。尤其是新火箭包通过改进燃料配方和工艺，其寿命和整个座椅相等，维护成本比原来K-36低得多。



K-36-D-3.5弹射座椅，看上去就瘦了很多

　　其次K-36D-3.5大幅改进了控制系统等机构的性能，开伞速度反应极快。新的电子程控系统中预备了高达50种弹射模式，在弹射瞬间会根据飞机总线上提供的7种参数进行选择，实现开伞高度、时间的最优化。比如在速度小于等于650公里/小时（可以直接开救生伞），飞机的侧翻角度大于90度时，K-36-D-3.5的主动力火箭包就不再工作，避免形成高度损失。

　　同时K-36-D-3.5还在头靠部位增加了两个姿态调节火箭，喷口指向两侧；这样在飞机处于侧翻弹射状态时，朝下的姿态火箭就会启动，帮助弹射座椅往高处飞，获得更大的开伞高度。依靠开伞程序优化和姿态主动控制能力，它的低空低速射伞时间从0.7秒缩短到了0.2秒；飞机在287公里/小时下倒飞弹射的高度从100米缩减到了50米。



K-36D-3.5与K-36D在287公里/小时速度下的倒飞弹射性能对比

　　虽然和四代弹射座椅的完整主动控制飞行能力比起来，三代半型号的K-36-D-3.5性能还有所不足，但其技术水平已经遥遥领先其它任何一种现役座椅。K-36座椅所达到的成就，早已超越了时代、国籍与政治意识形态，已经不仅仅是用“苏联航空工业史上一项无可比拟的荣耀”可以形容，它足以证明人类的智慧与牺牲相凝结，在飞行事业发展中能绽放出怎样璀璨的光芒。

[ 本帖最后由 bbs12345 于 2016-5-19 11:13 编辑 ]

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