全球仅四个国家能研制,这款航空产品才是真“救命神器”

近日,十余家中央媒体探访了航空工业航宇,“揭秘”了我国航空安全防护救生事业的发展历程。
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在航空工业航宇襄北试验基地,先后4代共7型弹射救生座椅通过研制试验与性能鉴定,装配在各型国产战机上;也是这里,结束了我国出口飞机需要装配外国座椅才能卖出去的历史。现在引人瞩目的国产民用大飞机C919,其客舱座椅也来自航宇嘉泰。
纵观全球航空发展史,安全防护救生产品不仅必不可少,而且还随着航空器速度、材料等领域的发展而不断进步。让我们从老照片开始,聊聊弹射座椅的发展史——
“二战”时期,降落伞已成为军用飞机必备的救生工具。但随着飞机的飞行速度不断提高,单纯靠飞行员的体力,爬出座舱、完成跳伞逃生的难度越来越大,且大速度情况下的跳伞,飞行员很容易与飞机机翼、垂直尾翼相撞。
当时的研究表明,飞机的飞行速度达到500千米/时之后,飞行员就必须借助外力才能应急离机、跳伞救生。由此,弹射座椅应运而生。
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中国航展上中国航空工业集团展区曾展出的两款弹射座椅。
今天来看,战斗机飞行员坐下的这把“弹射座椅”集机械、电子、火工、气动、人机工程、航空生理卫生学等多学科于一体,是保障飞行员生命安全的关键装备。目前全世界仅有中英美俄这4个国家具备弹射座椅的研制能力。
虽说,弹射座椅的概念可以追溯到上世纪20年代甚至更早,但真正实用化的弹射座椅要到“二战”后期才出现。德国和瑞典率先为新一代高性能战斗机配备了可堪一用的弹射座椅。
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上图为“二战”时期,德国工程师们申请的诸多弹射座椅专利中的一个;下图为“二战”德国战机上使用弹射座椅的连续画面,弹射座椅从座舱中弹出、跃过飞机的垂尾。
最初的弹射座椅是以弹簧或压缩空气作为弹射出舱的动力源,尽管当时技术条件有限,但这在飞行员的救生方式上已是很大的进步。
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“二战”德国准备为He-162喷气式战斗机配备的压缩空气式弹射座椅。
压缩空气式弹射座椅存在着压缩空气容器重量大、弹射能量小等先天不足,因此以火药为弹射动力成为当时弹射座椅的另一条技术路线。
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瑞典萨博(SAAB)公司在1941年为萨博J-21战斗机研制配套的弹射座椅时,就从压缩空气动力转为火药动力。博物馆中的这架萨博J-21战斗机还原了弹射座椅弹射出舱的情形。
战后,随着喷气时代的到来,飞机的速度越来越快、直至突破了音障,飞行员再以过去纯靠自己、手动方式跳伞来逃生是不可能的了,对弹射座椅的需求愈加迫切。
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1959年的荷兰苏斯特贝格,该国在全国航空日时,空军基地的开放活动中,弹射座椅(训练器)进行了演示,从围观人员的表情变化可见人们对这一新事物的新奇与惊讶。
今天,西方战斗机上普遍装备使用的是英国马丁·贝克公司的弹射座椅产品。该公司名称来自创始人詹姆斯·马丁和瓦伦丁·贝克——后者是一战时期的王牌飞行员。
公司于1934年创立,最初的产品是飞机,但当贝克在公司新机试飞中不幸遇难,马丁决心研制能够拯救飞行员生命的“弹射座椅”。
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下图为马丁·贝克公司传奇的开端:Pre-Mk1弹射座椅。
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1962年9月13日,英国赫特福德郡哈特菲尔德机场外,在非常低的高度上“闪电”F1战斗机上的试飞员鲍勃·索雷弹射救生(弹射座椅型号为马丁·贝克Mk.4)。上图这张传奇照片的拍摄者是试飞员的邻居吉姆·米兹,当天他本想为邻居拍张飞行照。
马丁·贝克公司官网数据显示,截至目前,该公司的弹射座椅产品已经7722次成功拯救飞行员的生命。
战后,美国弹射座椅领域的发展一度出现近乎一型战机一型弹射座椅的“乱象”,这给战机的采购、使用、维护造成了大麻烦。20世纪70年代中期,美国军方开始推动标准化、通用化的ACES(先进概念弹射座椅)。
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历经半个世纪,这条ACES产品线目前归属于雷神技术公司旗下的柯林斯宇航。2020年美国空军开始陆续以ACES5升级F-15、F-16、F-22、A-10和B-1等机型上的ACESⅡ弹射座椅。
对比美国空军机型的普遍采用ACES弹射座椅,美国海军方面则在20世纪80年代中期选择了马丁·贝克公司基于Mk14弹射座椅开发的“海军机组人员通用弹射座椅”(NACES)(下图)。
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不过,在F-35战斗机家族上这种海军空军之别已经不存在了,F-35上的弹射座椅是马丁·贝克公司Mk16的定制版US16E(上图)。
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上图为1989年6月8日,巴黎航展上飞行表演的米格-29战斗机因为发动机吞鸟起火,飞行员在飞机触地前2.5秒果断弹射,并最终安全降落在了坠机爆炸火球30米处。这次极其不理想的状态下的弹射成功,苏联/俄罗斯红星设计局K-36D弹射座椅的表现惊艳世人。
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名声大噪的K-36D弹射座椅甚至吸引了冷战后的美国人,专门评估了美国飞机改装K-36D的可能性(上右图)。画面上可见颇为独特的硬式稳定杆和稳定减速伞的组合。不过最终美国人并没有批量购买俄国货,而是将K-36D的诸多长处应用在了ACESⅡ的改进上。
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初期的弹射座椅中,有的将弹射手柄设置在了座椅顶部。
当弹射手柄在座椅顶部时,飞行员在拉下弹射手柄后,会顺带拉下“面帘”,将飞行员的头部和氧气面罩都置于面帘的保护之下、免受高速气流的迎面吹袭。
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而当飞行员头盔技术进步后,在座椅前部、飞行员两腿中间设置弹射手柄则成了主流设计,而手柄的颜色普遍醒目的黄或红。
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一种密闭式弹射座椅。
目前我们说的弹射座椅,一般也被定义为敞开式弹射座椅,那么相对的就有“密闭式”。这就是20世纪50、60年代昙花一现的密闭式弹射座椅。
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美国B-58轰炸机弹射密闭式弹射座椅。
为了能实现跨声速甚至超声速条件下的弹射救生,密闭式弹射座椅典型的应用是在美国B-58“盗贼”轰炸机上,可折叠和展开的蛤壳式密闭门将飞行员密闭在这个“胶囊”之中。
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“断头保命”的救生系统设计方案。
与“密闭式”理念类似,20世纪50、60年代还一度出现过让飞机“断头保命”的救生方案。而现实中曾应用过的是在F-111多用途战斗机、B-1A轰炸机上的分离座舱弹射救生系统,但其缺点在于,系统太重、日常使用成本和维护费用偏高、低空救生性能相对较差。
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已经被拆解的B-52G轰炸机,得见其机首底部的2名导航员席位、弹射座椅向下弹射的舱盖。
当弹射座椅在大型飞机例如轰炸机上使用时,可能会遇到的一个问题是要向下弹射。比如在美国空军B-52轰炸机上2名雷达导航员的席位是位于下层甲板,所以弹射座椅就只能选择向下弹射。
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弹射座椅的向下弹射画面并不多见,上图为美国在B-47和B-52轰炸机上测试画面。
如果考虑到理论上轰炸机多是在中高空飞行,那么“向下弹射”的生存概率倒没有那么糟。综合公开信息来看,俄罗斯空天军的图-160轰炸机上也为机组成员配备了弹射座椅。
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图-160的座舱,可见K-36LM弹射座椅上标志性的红色弹射拉环。
而俄罗斯K-37-800M火箭牵引座椅是第一套真正用于直升机的火箭牵引救生系统,是目前世界上最先进的直升机救生座椅,实现了与战斗机上弹射座椅初步相当的主动应急救生性能。
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俄罗斯“红星”设计局的K-37-800M火箭牵引座椅装备在卡-50/52武装直升机上。图中可见卡-52武装直升机的座舱盖上敷有微爆索、飞行员座椅后方可见白色的牵引火箭。
在弹射座椅的研制过程中,为了验证其性能是否达到设计指标,一定少不了地面综合性能试验环节,这其中的关键试验设备就是火箭橇滑轨。
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弹射座椅试验用的火箭撬滑轨。
火箭橇滑轨对弹射座椅进行有速度弹射试验,即利用固体火箭发动机作为动力,推进滑车在滑轨上高速滑行以模拟飞行速度,在达到预定速度或预定位置时启动座椅弹射,并通过电测设备、光测设备来记录整个试验过程。
此外,弹射座椅还要进行空中飞行弹射试验,以更接近真实情况,特别是模拟机动飞行中不利姿态下的弹射。空中飞行弹射试验通常是用假人来进行,弹射试验机一般是具有前后舱的战斗机、教练机或轰炸机改装而成。
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上述三幅图分别为美国的F-84,英国马丁-贝克公司的格罗斯特“流星”Mk.7弹射试验机,俄罗斯的米格-25和苏-27。
弹射座椅的应用也不只是航空器上,冷战时期,美苏两国的太空飞船和航天飞机上就为航天员准备了弹射座椅。第一位到访太空的航天员尤里·加加林,乘坐“东方”1号飞船返回舱返回地球时就是通过座下的VZA弹射座椅(同样是来自红星设计局)弹射出舱、“跳伞”落地的。
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塔斯社发布的加加林在“东方”号的弹射座椅上测试训练画面和重返地球的“东方”1号返回舱画面,可见舱壁上的“大洞”、加加林早已跳伞落地。
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美国“双子座”飞船上为两名航天员准备的弹射座椅。它们是为了在火箭发射(比如,运载火箭在发射台上发生爆炸的极端情况)、后期载人返回等阶段中为航天员提供紧急逃生手段。
在航天飞机时代,美国的“哥伦比亚”号、“企业”号,苏联的“暴风雪”号,它们都曾为机组人员准备了弹射座椅。“哥伦比亚”号上早期安装的弹射座椅是洛克希德公司的SR-1弹射座椅(同款在SR-71和U-2这两型高空侦察机上使用)。“暴风雪”号上计划为机组配备红星设计局的K-36RB弹射座椅。
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下右图为展开的相关假人试验测试。
弹射座椅还曾救了“登月第一人”一命。1968年5月6日,尼尔·阿姆斯特朗在进行模拟登月训练,他在操控1号登月训练车模拟月球下降过程时,用于加压燃料箱的氦气意外耗尽导致失去控制。阿姆斯特朗在离地面约200英尺(60米)的地方使用了“韦伯弹射座椅”弹射救生,他唯一受的伤只有舌头咬破了。
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1969年,2号登月训练车坐席上的阿姆斯特朗。
总之,弹射座椅作为航空科技的重要一部分,其发展和应用辐射全球航空和航天业界,在彰显科技进步的同时,也是凸显以人为本、关乎人民生命的重要创新产品,小小座椅,藏着大大关怀。