T-7A與F-35新型彈射座椅的困境:社會與觀念變遷所帶來的人機工程新問題

2023-05-29     看航空

原標題:T-7A與F-35新型彈射座椅的困境:社會與觀念變遷所帶來的人機工程新問題

近期,由於彈射座椅在測試中暴露出很大問題,美空軍表示T-7A「紅鷹」高級教練機形成初始作戰能力的節點將再次推遲至2027年。而美國國防部作戰測試與評估辦公室,甚至給出了T-7A「沒有達到最低安全標準」的評估結論。

T-7A「紅鷹」

截至目前,作為T-7A研發廠商的波音公司,由於節點延誤和成本暴漲,已經在該項目上損失了超過11億美元。

值得注意的是,這不是彈射座椅問題在近些年裡第一次困擾美軍。幾年之前,F-35也出現過與T-7A頗為類似的問題,使其不得不在限制條件下使用。

兩型彈射座椅遇到同一困境

在兩型飛機中,T-7A裝備的是美國柯林斯宇航集團的ACES5座椅,而F-35裝備的是英國馬丁·貝克集團的MK16-US16E座椅。

2018年1月,在美空軍亞利桑那州盧克空軍基地,維護人員正在將F-35A的彈射座椅搬運到維修車上。

儘管使用的彈射座椅具體型號並不相同,但它們遭遇了相當的困境:

如何在放寬飛行員重量和體型適用範圍的同時,依然能有效保障救生能力?並在座椅重量等主要的傳統性能指標上實現進一步提升?

由於社會觀念、身體力量素質、可能的被俘遭遇等一系列因素的影響,在很長時期內,各國軍機飛行員中男性都占據著壓倒性比例。這就進一步決定了,軍用飛機的人機工程和救生設計,以往都是按照身體素質最出色的成年男性群體作為標準展開的——特別是體重、身高、坐高、臂展、腿長等關鍵數據。

根據F-35項目規劃的要求,該型號適用於體重103~245磅(約47~111千克)的飛行員。但隨後發現該機對體重較小的飛行員存在安全隱患:136~165磅體重的飛行員會面臨額外危險,但機率上尚可接受;而136磅體重以下 飛行員則會遭遇不可接受的風險。美軍因此在2015年開始一度禁止136磅體重以下的飛行員駕駛F-35。

但近幾十年,越來越多的女性正在成為軍機飛行員。她們的體重、身高、身體重心位置等特質都與男性飛行員差異很大,這就對軍用飛機救生能力運用和發展帶來了新問題:

針對以女性為代表的小體重、小身高飛行員來說, 現有型號彈射座椅的救生安全性能不足。而新研發的彈射座椅,雖然在設計時試圖顧及小體重、小身高飛行員,但技術難度和風險的驟然增大,已經超出了供應商現有的能力水平,這使得廠商無法在產品上順利實現相關性能要求。

這樣一來,無論是使用舊型號還是新型號的彈射座椅,後果都是一樣的:彈射安全性能不能得到保證,飛行員在彈射過程中,致死致殘(尤其是脊椎受傷)的機率將過高。

軍機彈射座椅的最大危險:過載

軍用飛機的救生彈射過程充滿了危險,但是在大多數情況下,最致命的因素一直與極高的過載緊密相關。

比如,在彈射出艙的過程中,為了讓飛行員在最短時間內逃離機體,劇烈衝擊是不可避免的:從頭頂沿著脊椎向下的方向,0.2~0.3秒內的瞬間過載可以達到17~19G,甚至更高。

只有在一種情況下,飛行員才能儘量保證自己的安全:以最標準的姿態執行彈射動作,一方面讓衝擊過載能夠端正地順著脊椎骨向下傳遞,另一方面,頸、背、腰的肌肉協調發力,在使骨骼位置保持穩定最佳受力姿態的同時,大幅度的緩衝和分擔骨骼所承受的壓力。

如果飛行員的頭頸在彈射時處於這些姿態下,將導致極為嚴重的後果。

一旦衝擊過載更高,或者飛行員姿態不理想——比如頭部往一側傾斜、軀幹扭曲的狀態下彈射,脊椎——尤其是頸椎所遭受的衝擊就會超過生理結構的極限,導致致命的後果,比如脊髓受損,導致截癱甚至是死亡。

由於座椅受到軌道的約束、引導,彈射出艙的過程其實還算是可控、簡單的。

很多情況下,隨後的減速和開傘過程中,不可控因素就更多更複雜,風險也更高。例如,面積最大、起到主要減速作用的救生傘,其打開的瞬間會給飛行員施加巨大的衝擊過載。

在這一過程中,施加給頸部的衝擊過載會達到17~19G甚至更高;但此時飛行員已經脫離了座椅的約束,軀幹也無處著力,更容易處於受力情況非常不利的姿態。

特別是在接近、甚至超過1000千米/時的高速狀態下,座椅一旦離開飛機,就要受空氣阻力作用劇烈減速,減速過載可以在2~2.5秒內持續高達35~40G。這種過載壓力是相當可怕的。在此過程中,飛行員只有身體朝向始終保持與速度方向高度一致,才能保證這個過載始終是從人體耐受能力最好的「前胸—後背」方向穿過。

圖注意座椅上各種約束飛行手腳的保護機構。美國海軍的研究結果認為,高速彈射下,座椅翻滾的速度一旦達到1000度/秒(即每秒接近3圈)就足以導致飛行員死亡。

一旦「人-椅」這個組合體出現受力不均衡(在實際訓練和各種任務中這是不可避免的),而又不能迅速把姿態收斂到穩定狀態,這一組合立刻就會在空中旋轉。

旋轉狀態,意味著在35~40G的過載中,在 高達每平方米數噸的高速氣流壓力下,飛行員頭部、四肢的受力會遠遠超過哺乳動物肌肉的力量極限。在這種情況下,頸部和肢體被扭斷、扭斷的肢體甩打導致軀幹嚴重受傷,都是航空史上屢見不鮮的先例。

美國海軍曾對1976~1989年的彈射事件進行 統計,其中彈射速度超過926千米的彈射共計10人。這10人中,傷亡數為6死2重傷,只有2人是輕微傷害。因此,直到今天,高速救生依然是彈射座椅設計的核心挑戰。

新一代彈射座椅的設計矛盾

無論是MK16-US16E,又或者是ACSE5,這些新一代彈射座椅都面臨著非常尖銳的矛盾——

在設計製造上,彈射座椅正在不斷追求重量更輕、體積更緊湊、結構更簡單(特別是儘量減少火工品數量)、維護更簡便;而在使用性能上,座椅又在不斷追求更大的重量和體型適應範圍,以擴大其能夠適用的飛行員群體——不僅包括女性,也包括一些體型較小的男性。

正如其他飛行器研製中的棘手問題一樣,這些追求在很大程度上是互斥的,需要更為複雜的設計或者更先進的技術應用,才能有效協調彼此。

最簡單的例子,245磅和103磅的飛行員,前者體重是後者兩倍多。同樣的彈射能量,若是剛好能把245磅的飛行員,以17~19G的過載送出艙外;那麼在彈射103磅的飛行員時,顯然過載就會大得多,必然超出人體能承受的安全極限。

這需要設計對應的調節裝置,控制液壓或者燃氣能量的輸出水平……對調節幅度和靈活性的需求越大,技術難度就越高。類似的,在開傘時機的控制程序要素(高度、速度、時間)設計上,難度也要高得多。

MK16系的西方座椅採用的無杆、單傘穩定設計,穩定能力有限,尤其是高速條件下。

而比起過載,姿態上的穩定性控制更棘手,更難解決。

現代彈射座椅的主流設計思路依然是被動穩定飛行,缺乏主動性的飛行姿態控制能力。

一方面,座椅在減重、緊湊化之後,飛行員的重量和重心分布,對於整個「人-椅」結構會形成更大的影響;另一方面,新的座椅被要求要在整體重心變化幅度大得多的情況下,還能始終保持各種速度和彈射姿態下的飛行穩定性。

這種科技領域中尚未被突破的設計需求衝突,才是十多年來美軍在彈射座椅發展和使用上遭遇困境的根本原因。

綜合來說,T-7A彈射危機的本質,是社會變遷在軍事航空領域中,以人機工程技術問題形式呈現的結果。

排版:藍風

策劃 | 文案:候知健

編審 | 監製:武晨、王蘭

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波音再次推遲T-7A投產時間,美軍飛行員培訓受影響

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/9b688f0a958016744743656da7c961bf.html