大连某航修厂工程师李明谈弹射座椅的功效与设计原理——
飞行员最后的安全依靠
■孙 畅 宋 茹 孟金玲
战机弹射座椅弹射瞬间。资料照片
前不久，美军F/A-18E“超级大黄蜂”在进行训练飞行时发生意外，战机坠毁后碰撞地面引起爆炸，现场浓烟滚滚。幸运的是，飞行员借助弹射座椅安全逃生。
作为飞行员最后的安全依靠，弹射座椅是一种可在紧急情况下，利用火箭动力将飞行员弹离飞行器并使其安全着陆的航空救生设备。
二战时，世界诞生了第一台弹射座椅。此后，弹射座椅迅速推开。到今天，随着科技进步，弹射座椅已历经迭代发展，可满足战机在不利姿态和高速飞行状态下的逃生需求，在最后的紧要关口为飞行员生命撑起了一道“安全屏障”。
火箭式秒速弹射，飞行员的自救“神器”
在激烈的空中对抗中，战斗局势瞬息万变，战机飞行状态充满了许多不确定性因素。一旦战机受损失控，飞行员就要以最快速度逃离飞机。
一战中，飞机设计师为飞行员配备了降落伞，当需要弃机逃生时，飞行员要自行打开座舱盖，爬出座舱，跳离机身并打开降落伞，逃生概率比较低。
随着军用飞机升级换代，高速度、多姿态的飞行条件给飞行员逃生带来了更加严峻的考验，传统逃生方式受时间限制已经无法实现。直到二战时期，弹射救生方式应运而生。
设计师在缩短逃生时间上花费了大量精力。现代战机的弹射逃生动作几乎是一瞬间完成。有数据统计显示，从飞行员启动弹射座椅开始，到降落伞完全打开，仅需2.48秒。
那么，在如此短暂的弹射瞬间，弹射座椅怎样才能保证飞行员顺利自救呢？
慢镜头回放，我们发现，弹射其实是一个非常复杂的过程。
当需要弹射逃生时，飞行员只需拉动弹射手柄，点火机构和火箭发射器在0.4秒时间就能依次完成启动，相当于眨一次眼的时间。
在拉动弹射手柄的一瞬间，座椅上的束缚装置会将飞行员的身体紧紧地“绑”在座椅上，做好弹射启动的准备，避免弹射时与座舱内的设备碰撞。
与此同时，战机会采用将舱盖整体抛离或者爆破粉碎的方式，破除座舱盖对弹射时的阻碍，为飞行员打开逃生通道，防止飞行员与舱盖相撞。
当这一系列弹射准备动作完成后，座椅才会通过弹道和火箭两级动力进入弹射阶段。
弹道弹射作为一级动力会将座椅迅速弹离飞机，而火箭弹射会将座椅带到更安全的高度，确保飞行员与飞机保持安全距离，并保证降落伞能够顺利打开。
实现这一系列动作都依托弹射座椅的“大脑”——程序控制系统。该系统实时发出修正飞行轨迹的指令，确保人椅弹离到安全跳伞高度，再释放稳定减速伞，选择最佳的人椅分离时机，安全打开降落伞。
弹射逃生到此就结束了吗？当然不是。
弹射座椅既要让飞行员秒速出舱，还要保护飞行员安全着陆，并在等待救援过程中抵御各种危险。
在着陆阶段，飞行员的救生包会自动打开，救生船自动充气，自带的信标机随之发出求救信号。
安全着陆后，飞行员可以利用救生包内的救生手册、信号弹、口粮、海水脱盐剂等几十种野外救生物品进行自救。
不仅如此，根据任务特点，有的弹射座椅还配备了沙漠、寒区、热带丛林等不同地域环境的救生物品。这些救生物品帮助飞行员应对各种恶劣环境，上演真正的“绝地求生”。
最复杂的设计工艺，最安全的逃逸系统
飞行是勇敢者的事业，从莱特兄弟发明第一架飞机开始，飞行梦想与未知风险就如影随形。当飞机失控后，飞行员如何安全返回地面？一直以来都是设计师研究的重要课题。
早在18世纪中期，人类便尝试撑起大伞从高塔上空跳下。1797年，法国物理学家加纳林背着由柔软织物编织而成的大伞从1000米高处跳下并安全着陆。
这一时期的空中逃生装置设计比较简单，多用于商业表演，但这是降落伞的原型。一战时，聪明的设计师利用降落伞挽救了大量飞行员的生命。
然而，到了二战时，德国设计师发现了这样的问题：随着战机飞行速度越来越快，仅凭一具降落伞已经不能保证飞行员安全。
他们得出结论，当战机飞行速度大于600千米/小时，飞行员从座舱内部打开舱盖异常困难。即使能够打开舱盖，飞行员背着沉重的降落伞从狭小驾驶舱中跳出的瞬间，遇上高速气流无异于“迎面撞车”，若不幸被气流吹至飞机尾翼，可能会受重伤甚至死亡。
设计师意识到，开发一种能够让飞行员在飞机高速飞行时尽快逃生的装置迫在眉睫。
弹射座椅发明的前前后后，是人类与死神不断抗争的一段历程。实际上，弹射座椅的设计构想源于一次意外经历——
二战时，由于一次不当操作，德军掩体内炸药爆炸，几名士兵被炸出七八米高，这次意外给设计师带来设计灵感：能不能研制一款爆炸装置，当遇到险情时，把飞行员“炸”出舱。
他们曾尝试使用高弹性橡皮筋作为动力，但以失败告终。直到1940年，在喷气式原型机He-280上装配了以压缩空气为动力的弹射座椅，这是人类首次在2370米高空坠落得以幸存，实现了弹射座椅的“首秀”。但这款座椅有着弹射力度小、压缩空气储气瓶重量大、气体易泄漏等方面缺陷，并没有实现量产。
第一代弹射座椅问世于二战后，它以弹道式弹射为原理，借助火药威力，把人和座椅作为“炮弹”射出飞机座舱。但第一代弹射座椅弹射动力有限，无法满足低空弹射要求，不久便被淘汰。
为了解决低空弹射问题，国外某研究部门提出了“两级弹射机制”方法，即当弹射机构将座椅弹到一定高度时，火箭包启动，把飞行员推向更高的开伞高度。于是，第二代弹射座椅问世，这一代弹射座椅引入了“零-零”弹射概念，在零高度、零速度的条件也能弹射，安全性显著提升。
然而，只有“零-零”弹射还是不够的。弹射座椅出舱后，相当于一个小型、不规则的飞行器，一旦战机飞行姿态不利，弹射方向便难以预测，甚至出现射向地面的情况，降低了飞行员的生存率。
聪明的设计师在第三代弹射座椅的研制中，采用了座椅稳定系统、方向感知系统等设计，满足多种飞行姿态下的逃生需要，安全性显著提高，大名鼎鼎的俄罗斯K36弹射座椅便是这一代弹射座椅的代表。目前，该弹射座椅在苏-30、苏-27等战机上普遍应用。
随着科技快速发展，火箭推进器技术更加成熟。作为弹射座椅的主要动力，火箭推进器产生的15倍重力加速度，能够带着重量高达上百公斤的部件实现弹射，这也是战机设计中最复杂的装置之一。
集“黑科技”于一身，军用飞机的“私人定制”
弹射过程看起来只是短短一瞬间，但飞行员每次惊险逃生的背后，都凝聚着设计师的智慧。
弹射座椅本身是一个涉及弹射操纵、稳定减速、远距离点火等多个系统的复杂工程。要想弹射成功，程序控制、人椅稳定、人椅分离等多个程序和相关的部件必须紧密配合、协同工作。
弹射逃生是一次惊险旅程。在弹射瞬间，飞行员要承受约15倍的重力加速度，相当于15个自己体重的力量作用在身体上，巨大的冲击力会让飞行员瞬间进入眩晕甚至无意识状态。此外，弹射过程中还要经受低温、高速、强气流等重重考验。
受到各种“苛刻”条件限制，弹射座椅的研发难度非常大。不仅要确保在各种极端恶劣飞行条件下能够正常工作，还要兼顾飞行员各种生理参数和装机重量的多重要求。
在几十年研发过程中，弹射座椅逐渐集合了空气动力学、流体力学等数十个学科，科技含量极高。想要制造出一部性能优越的弹射座椅更是难上加难。目前，世界上只有少数国家具备独立研制能力。
系统多、协调性强、机电一体化程度高是现代弹射座椅的主要特点。在多达数十项技术指标中，弹射性能是最关键的指标之一。然而，想要通过地面试验模拟空中高速飞行下的弹射状态，难度可想而知。
设计师经过多年研究，终于研发出一种模拟试验方法——火箭橇滑轨试验。
这项试验需要大型场地，滑轨轨道长度要达到几千米，通过精细的焊接制造，轨道精度精确到0.2毫米，相当于一根头发丝的精度。
有了高科技试验设备，弹射座椅能够在高精度轨道上模拟零高度、全速度的弹射效果。最后，通过高速视频摄像机捕捉数据，依靠数学建模等一系列计算分析后，才能判定弹射性能是否合格。
目前，为了保证飞行员安全，集高科技、高性能于一身的弹射座椅已经成为军用飞机的“私人定制”。世界上几乎所有战机都配备了弹射座椅。
不仅如此，随着飞行员空中逃生概率的提升，许多国家空军对弹射逃生的认识产生了“附加值”，让战斗经验丰富的飞行员在空难中幸免于难，对空军战斗力提升有着极其重要意义。
据统计，世界上大多数王牌飞行员都有过弹射逃生的经历，每次“劫后余生”都帮助他们成长为“更好的飞行员”。
