一弹化去关头险,青鸟乘风再入云(四)

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/29 08:10:19


第三篇续:

第三篇《飞豹篇》发出后,有很多朋友对试飞员的牺牲精神表示敬仰,同时也提出了一些问题,主要有:

1 卢军对飞豹的试飞做出了巨大贡献,但他不是试飞飞豹牺牲的,而是非初教6牺牲的。
兵器迷多方查找资料,发型网上对于卢军的牺牲有很多说法,各不相同,但确实以初教6牺牲的消息为多。

2 1996年大场的事故,有飞行员伤亡
这个资料,网上查不到,但又多位网友表示同样观点。

以上两点,请各位网友明鉴。

3为什么不能立模拟弹射装置,训练飞行员的弹射?
话分两头说:一方面,中国飞行员在飞行学习过程中,是有弹射训练的,但在入役后,就再没有弹射训练了。这种情况到王伟失事之后,有所改善,21世纪初空军已经恢复了弹射训练。

另一方面,中国50年代开始装备弹射训练设备,不过只是训练操作流程和试一下弹射的感觉,过载只有6-8G,而实际弹射时,飞机的速度和姿态这些指标很难模拟,弹射后果也无法预测,过载又多在16-18G左右。但如果真的模拟弹射也这样搞,一部分飞行员会因此受伤而无法继续飞行,这个风险和成本都是无法承受的。因此空军专家的观点是:这个设备,可以训练动作的熟练,但能否提高救生成功率,并不肯定。

西方的现代弹射训练设备大体与TG相似,差别有两个:
1 弹射训练设备带座舱(原文如此)
2 可以自动评估救生效果



                                                         一弹化去关头险,青鸟乘风再入云

                                                                                                ——浅谈中外航空弹射座椅的发展(四)


在前述《历史篇》、《技术篇》和《飞豹篇》当中,我们对前三代弹射座椅的发展历史、技术难度和飞豹事故的弹射因素进行了分析和探讨,那么这一篇,我们将重点讨论第四代弹射座椅的技术和研发进展情况。用官方八卦体来说,也算是回顾过去,展望未来吧,呵呵。
一、第四代弹射座椅的名义包线
在前两篇——《历史篇》和《技术篇》中,我们谈到:第三代弹射座椅能够实现亚音速的速度和高度双态弹射控制。

目前,英、美、俄、中等国现役第三代弹射座椅的双态名义性能包线为:在平飞条件下,飞行高度0~15公里,飞行速度0~1100千米/时。倒飞时安全弹射最低高度,ACESII为46米,中国的HTY-5也是这个水平,K-36最新改型是36米——那是真牛啊。


细心的读者会注意到弹射包线中“名义”这个词。这个词的意思是——有前提条件。而这个前提条件,是指“在平飞条件下”。

通过第二篇的介绍,大家会理解,平飞当然可以大大提高弹射座椅出舱后的姿态有利性,但却严重限制了弹射的实际场景。在那些不属于平飞的不利条件下,即便在包线内弹射,也不能保证弹射的安全。

比如名义包线时速1100公里。但是,从公开数据看,三代弹射座椅在550公里以上弹射时,43%的弹射者死亡或重伤;950公里以上弹射时,69%死亡或重伤,而1100公里以上无统计意义的成功弹射记录。只有俄罗斯的K-36实现过超1马赫(资料原文为1.2马赫)的弹射救生个案。而其他国家在1100千米/时(0.9马赫)以上,连成功弹射的个案都没有。

从国外的总体弹射数据看,大致在1970年代之前,第三代座椅的平均救生成功率为80%。1980年代之后,弹射成功率在90%左右。但是,在实施弹射之后的飞行员,仍然有大约18%受到致命伤害,22%的人员受到重伤导致很难继续飞行。因此实施弹射后的飞行员安全率只有60%左右,依然是个很大的问题。

现在来看看四代座椅。

第四代弹射座椅的名义性能包线,需要扩大到0~1400千米/时(1.15马赫),高度0~21千米,即实现真正的超音速安全弹射。同时倒飞时安全弹射最低高度为15米,并对各种不利姿态的弹射提供有效保障。座椅的平均救生成功率要达到90-95%以上,飞行员弹射后的身体安全也必须大幅提高到85-90%以上。

然而,第四代座椅历经四十年,仍然没有完全实现座椅姿态的有效控制。

谈到这里,我们要看看第一篇就提到的,俄罗斯著名的K-36系列弹射座椅。其最新改进型号K-36Д--3.5是到目前为止,唯一正式列装具备部分第四代座椅特征的“三代半”弹射座椅。(有些媒体和杂志,不知是懒得去找“Д”这个特殊字符还是怎么,直接写K-36II,或者K-36D,因此表述方式与兵器迷不一致,在此特别说明下)。我们下面就参照四代弹射座椅的需求包线目标,来看看四代座椅要达到这些目标,需要哪些技术难关要攻克,顺便介绍一下K-36系列的设计特点。

二、第四代弹射座椅的主要技术
1 自适应控制技术:

第三代弹射座椅,也有弹射控制技术,分为低速状态和高速状态,进行弹射操作(比如火箭点火、开伞时间)的控制。但是,其低速状态是按0速度极限状态设计的,而高速状态又是按最大速度极限状态设计的。而且座椅火箭包的推力大小和方向是不变的。以美国的ACESⅡ弹射座椅为例,其主要弹射模式只有低空低速、低空高速和高空三种模式,因此对多种不同姿态适应性远远不足。

第四代弹射座椅,将根据飞行速度、飞行高度、战机姿态、环境温度、乘员质量等等多种不同维度的数据,选择不同的弹射程序。而弹射程序也将包括力大小、推力方向、推力时间和推力频率等多要素的调整,通过数字式飞行控制弹射程序系统和先进传感器,实现智能化的推力矢量控制。

比如,在K-36Д--2.06基础上研制的三代半的K-36Д--3.5,就引入了高度、地速、表速、动压、下沉率、横滚角、横滚角速度等7个参数值,并映射到50种弹射模式,来决定各弹射执行机构的动作。采用的自适应控制技术包括:电子程控技术,可控推力技术(座椅的火箭包喷口方向,实现了三级可调),横滚姿态控制技术,等等。战机倒飞的最低安全弹射高度,从原来的95米降低到46米。目前,该K-36Д--3.5已经装机SU30-MK,SU-37等机型。

2、座椅稳定技术:
三代弹射座椅,因为战机和环境的问题,导致座椅出舱后失稳翻滚,人-椅系统的过载超限,既会导致弹射高度下降(见第二篇),可能伤害飞行员——有座椅翻滚把人甩的死亡的案例。

四代弹射座椅,可以利用稳定技术,进行快速调姿稳定座椅。

在低速弹射时,因环境中的气动力较小,可以采用推力矢量控制进行座椅修正;而在高速时,仅仅用气动力控制已经不足,可以采用稳定伞(stabilizer drogue)进行姿态调整。比如国产HTY-2,就采用了稳定-3型减速稳定伞。

更进一步的,俄罗斯的K-36系列弹射座椅,采用了稳定杆+稳定伞的特殊技术。即在座椅两边分别伸出两根1.8米的长杆,长杆的末端伸出两个小型旋转稳定伞。弹射时,座椅从机载陀螺仪获得姿态信息,进行长杆和稳定伞伸出时间、长短和稳定伞旋转的控制。这种设计的目的,是让飞行员得以立姿稳定在座椅上。过去三代座椅也会用稳定伞来稳定座椅姿态,人体能够承受20G的过载。而K-36系列的立姿稳定,可以让人体承受30G的过载。

图1:俄罗斯K-36Д-系列弹射座椅(注意座椅后部的两根稳定杆和稳定杆末端的稳定伞)



K-36的这种硬式稳定效果好,但是重量较大。英国MK系列用的是软式稳定。展望四代的座椅稳定技术,除了继续采用稳定伞技术外,主要的技术路线是两条,或者这两条的结合。一是,在座椅椅头部的两侧装高压气体喷嘴,并实现可控推力。二是采用改变推力方向的球形火箭发动机,并调整多喷管的推力大小与方向,实现矢量推力,在出舱条件先天不足的情况下,最大限度、最快速度的稳定座椅。

在座椅稳定技术当中,有一个技术分支,就是环境感知技术。因为弹射座椅离机后,姿态可能不稳定,因此确定火箭包的推力方向就尤为重要。在第三代座椅上,已能做到距地面60米时,即使座舱朝向地面仍可确保弹射座椅离开战斗机后,凭借推力矢量把弹射座椅由下坠姿态转向上升姿态并获得足够的开伞高度,确保人员安全逃生。比如1970年代,美国海军测试的弹射座椅,就在倒置弹射后能迅速扭转姿态爬升。

图2:美国海军测试弹射座椅倒飞弹射



俄罗斯在战机上安装陀螺仪,将姿态信息在弹射前发给K-36座椅,而西方则大多直接在弹射座椅上安装陀螺仪进行姿态监控,美国还曾设想用大地辐射原理,用微波辐射来感知。座椅完全处于倒飞状态,倒也好办。问题是对于倾斜和滚动状态的座椅,对于在夜间和再海面上的座椅,如何快速感知天地方位和周边环境,就是一个更复杂的技术问题。

3 高速气流防护技术:
超音速弹射时,高速气流对飞行员可能造成身体伤害。航空医学研究表明,人体对动压承受的安全阀值是0.316公斤/平方厘米,超过这个阀值人体就会受伤。如果超过0.598公斤/平方厘米,就可能造成死亡。

有朋友问,这样的动压阀值对应多高的气流速度呢?

这是好问题。给大家提供两个参考数据:

1.        800公里表速对应的气流动压流是0.31公斤/平方厘米——这已经是人体动压安全阀值。

2.        三代弹射座椅的1100时速,是0.58公斤/平方厘米——几乎正好达到造成死亡的动压标准。因此第三代座椅都会为飞行员提供各种防护措施,如限臂板(MK14有限臂网)和限腿带等上肢和下肢约束系统,用于固定飞行员的四肢。又如美国海军的充气颈圈,固定头颈。这些都是为了防止甩打,减轻动压伤害。同时弹射系统还会限制在高速时启动弹射。

四代弹射座椅的气流防护技术,也是围绕控制头颈部载荷,控制四肢甩打,控制人椅减速过载进行的。一种思路,是类似K-36的导流板,安装在椅盆前梁中部,可以减小人椅系统上作用于胸颈部的动压,目前已经实用化。另一种思路,是美国的滞留布帘(凯夫拉织物)方案,安装在椅背侧面,阻滞高速气流,目前在CREST座椅计划中进行测试。

4、弹射座椅技术:
三代弹射座椅,是按飞行员身体尺寸的5-95百分位设计的。也就是说,对身材最高大的那4%和最矮小的那4%, 弹射座椅的尺寸并不合适。

四代弹射座椅,要按3-98百分位设计设计,也就是说,只有身材最高大的那2%和最矮小的那2%不在设计范围内。这样可以扩大4个百分点飞行员的座椅适应性。为弹射效果的提升做出贡献。

四代弹射座椅的技术还有很多,不能一一赘述。不过,话唠的兵器迷,还是想将一个有趣的技术谈一谈,作为四代弹射技术讨论的收尾。说它有趣,是因为该技术具有高度的不确定性,而且也第一篇发出后,CD网友也就此展开了激烈讨论,故此可以让大家有更多的思考空间,这就是——

5 弹射预警技术:
三代弹射座椅,其弹射都是由飞行员发出弹射指令,即拉动弹射手柄启动弹射程序的。问题是,有些需要弹射的场景,是飞行员无法预知的,比如两机相撞或中弹,比如舰载机着舰失败等特殊情况,有时根本来不及手拉弹射。还有一种情况,就是飞行员确实想弹射,但因为受伤或+G机动,已经无力拉动弹射手柄。或者飞行员已经受伤暂时失去意识,无法人为实施弹射。三代座椅并未涉及主(自)动弹射技术。

四代弹射座椅,期望建立一种智能化的自动弹射机制,即弹射预警技术。根据战机的飞行参数、动力参数、飞行员身体参数、燃料参数、外部环境威胁(如空空导弹和地空导弹)参数等建立预警模型。当预警值高于模型的阀值时,由弹射系统自行启动弹射程序。

听起来很美好,一切都自动化了,对吧?

不过,这个技术在四代座椅的开发中是存在很大争议的。其实这个思路并非新鲜出炉——苏联很早就曾经试验过舰载机自动弹射。但预警弹射模型的不够完善。试验时,正常情况下飞行员做了高G机动,有时也被莫名其妙的弹射了。因而导致试验失败,最终没有投入列装产品。

今天的人工智能技术和计算机计算能力、建模能力、遗传算法和自动学习机制都非苏联时期可比。但是,自动弹射的可靠性,敌方电子战诱发战机错误弹射的危险性,都是不容回避的课题。如同美国今天仍未允许无人机主动选择和主动发起攻击目标一样,四代弹射座椅能否允许弹射系统自行决定飞行员放弃飞行器,这仍然是一个不仅仅在技术层面的争议。

三、国外第四代弹射座椅的研制情况
美国从1970年代就进行了四代弹射座椅的预研和技术储备,从1993年开始,正式启动了四代弹射座椅的技术验证计划。1997年在霍洛曼滑轨试验场进行了10次综合验证试验。其结果前面已经谈过,对复杂不利姿态的控制问题仍然没有完全解决。因此,只能用“技术很先进,装机有距离”来评价目前的进展。

看到这里,有人觉得意兴阑珊——没装机的四代座椅,有什么可谈的呢?

兵器迷挠挠头,翻翻书袋……这样吧,有一点似乎还有点意思,我们着重谈一下。这就是俄美两个冤家对头,在第四代弹射座椅研制上的高度合作的故事。

话说俄罗斯K-36系列的弹射座椅,那水平是相当的高,早在1989年6月第38届巴黎航展上,一架单座米格-29飞机在做低空机动表演时因失速,就在飞机触地前2.1秒,飞行员成功实施低空不利姿态弹射而获救,米格-29倒插在地,几秒钟后爆炸,挽救飞行员的就是K-36Д弹射座椅。

图3:米格-29的K36系列弹射座椅在巴黎航展上的经典一幕



K-36系列的出色表现,立刻吸引了美国同行的目光。1993-1995年期间,美国国防部陆续向俄罗斯"星"科学生产联合企业Zvezda发出了K-36弹射座椅的订货要求,前后一共进口了11套K-36-Д座椅。这期间,在美国专家的参与下,在美俄双方的基地,进行了一系列共计17次展示性试验。根据俄方的记录,试验条件数据为:时速0-1350公里,高度0-17公里,迎角30°,侧滑角20°。其弹射效果和系统可靠性得到了美方的高度认可,并表示将作为美国第四代弹射座椅的研制技术储备。

图4:美国测试K36系列座椅



故事到这里,并没有结束。

1993年7月24日下午,2架俄制Mig-29型战斗机在费尔福德国际航空节表演时,由于彼此的飞行轨迹错位,导致僚机和长机发生猛烈碰撞。2架飞机都处于亚音速的飞行状态,所以僚机机身断裂后仅仅3秒钟,就摔落地面爆炸。但飞行员却在离地面50米不到的空中弹射成功。此次事故,2名飞行员全部获救。所用还是K-36系列弹射座椅。

1999年6月12日下午3时左右,又是法国巴黎航展上,编号为01的SU30表演机低空机动失速,飞行员跳伞成功,使用的也是K-36-Д。几次失事弹射中,K-36-Д的优异性能展现无遗。在SU-30事件后的第二天,美国就向俄罗斯表示,希望双方建立联合企业共同生产这种座椅。但是2000年普京执政之后,此事渐渐远去,终而无闻。

回顾历史,K-36系列弹射座椅本来是1960年代中期苏联研制成功的第三代弹射座椅,后经过不断研发改进,形成了K-36-Д, K-36ДM和K-36-Д-3.5等主要系列型号,此外还有很多小改进版本。K-36系列的救生速度包线为1400公里——这已经达到了第四代座椅关于超音速弹射的速度包线,同时,俄罗斯在K-36Д--2.06基础上研制的最新K-36Д--3.5,对部分不利姿态实现了有效控制。因而超越其他各国的三代座椅,成为唯一具备部分第四代座椅特征的“三代半”弹射座椅,装备在SU27/SU35/SU37等一系列战机上。

到2014年,K36系列已生产12000多台,并成为独联体各国的通用化系列座椅。近40年来,K-36系列共挽救了500多名飞行员的生命,其中97%的人不仅成功逃生,而且安全无恙,可以重返蓝天。而在K-36系列基础上改进的K-37弹射座椅,装备在卡-50直升机上。并在K-36基础上研制出暴风雪号航天飞机的弹射座椅,成为航天员救生系统的一部分。关于K-36的更多详情,请参见侯知健先生的文章。

总而言之,K-36系列弹射座椅的改进迭代、技术水平、应用范围和创新思想,以及对弹射救生行业的引领作用,是怎样评价都不为过的。这一点,兵器迷对侯知健先生文中的评论观点完全同意。

有朋友疑惑,美国买了11套K-36,在美国本土测试就好,为什么还要分别在美俄两个国家试验呢?

第一篇确实曾经说过,俄美英中四国可以研制第三代座椅。但是,就试验设备而言,俄罗斯在部分设备上还是比其他国家有优势的。我们举两个例子。

一个是开口风洞。美国的弹射座椅测试只有闭口风洞。风洞出口速度600海里/小时,即时速1100-1200公里,而俄罗斯有开口风洞,风洞出口速度达到了1420公里。也就是说,美国的弹射座椅无法在超音速风洞测试,因此上文谈到的美俄对K-36系列所做0-1350公里弹射测试中的超音速测试部分,就是在俄罗斯境内测试场进行的。

另一个是超音速实机弹射。弹射座椅在进行地面风洞测试和地面火箭撬滑轨试验之后,还要进行空中实机弹射试验。这是因为,地面试验大多是速度包线的弹射测试。但对高度和飞行姿态,特别是不利姿态的测试,是地面测试无法完全替代的,为了确保装备的可靠性,还是要真机弹射才更有说服力。

弹射试验机一般是使用双座战机改成的。这是为什么呢?

对了,就是为了在空中弹射之后,能有飞行员把飞机开回来。要不弹射完就成了无人机了。弹射一次就损失一架飞机,什么样的土豪也受不了啊。

因此,弹射机一般将用于试验的弹射座椅安装于后座。座椅上有人形模特,从尺寸、质地、重量等各方面尽量接近生物人体。而前座就是真人飞行员,负责将战机飞到弹射测试的状态。因此,绝大多数空中弹射试验都是真机弹射假人。当然,只要是空中弹射试验,哪怕弹射的是假人,风险也是很高的。就国内标准来说,无论平飞状态弹射试验还是机动状态,也一定都是试飞中Ⅰ类、Ⅱ类风险科目。

因为风险高,所以空中弹射救生系统的试验都是从易到难逐步进行的。可以想象,先进行平飞状态,然后再进行各种简单机动状态,最后进行较为复杂状态的飞行试验。试验机的飞行高度、飞行速度都逐渐接近设计包线,以便获得各种试验数据,也能够尽量保证试验机及试飞员的安全。

当试验机到达预定弹射试验的空域范围和姿态时,飞行员就接通弹射按钮,座椅弹射出舱,同时发出弹射口令。跟随弹射试验机的伴飞编队的飞机上,以及地面监控团队,就会根据飞行员的弹射口令,控制摄影机和数据记录装置记录试验数据,并观察救生系统工作情况。

虽然美俄都有弹射试验机,但美国是不具备超音速弹射试验机的。而俄罗斯利用米格25改装成2-2.5倍音速弹射试验,因此在这方面也比美国有优势。

说到此处,第四代弹射座椅的情况就介绍到这里了。兵器迷掩卷叹息:超音速开口风洞和超音速弹射试验机的长期独占,固然从另一个侧面印证了俄罗斯在第四代弹射座椅研究上领先的原因。老毛子数十年前基础设施,时至今日很多方面依然胜过美国,更不要说TG了。苏联帝国的家底之雄厚,祖业之辉煌,仅此一例,足见一斑。而苏联解体之后,像K36这样的国家瑰宝都不得不拿来与美国共享。抚今追昔之下,其颓退之势,怎不令人慨叹再三。
四、中国三代半/第四代弹射座椅的研制情况
中国的四代弹射座椅研制开始较晚,主要是因为我们长期缺乏不利姿态弹射的试验手段。

第一篇谈到过,我兔在1970年代就生产出低速和高速火箭滑车,但却长期缺乏多轴向滑车和多功能塔台,无法再地面进行不利姿态的弹射试验。超音速弹射的地面测试设备也长期空白。中国歼轰7所用的HTY-6型座椅,在研制的时候也曾在俄罗斯利用超音速风洞进行试验,这是官方公开承认的。

而第三篇谈到过,空中弹射的成本非常高昂,而四代座椅测试又强调复杂不利姿态,这空中弹射的风险性就更高了。

中国弹射座椅的研究,曾长期依赖地面试验和经验设计,可是地面测试设备费钱费时,空中弹射又危险,两头堵啊。

办法也是有的——很多时候,人被堵到一定程度,办法就也就憋出来了。

这个办法就是数值模拟仿真。

其实,早在1970年代,美国就开始将数值模拟技术应用与弹射救生的仿真。到1990年代,已经能够用数值模拟技术对其通用装备的第三代ACES-II座椅进行全面的仿真计算。并根据弹射座椅的数值模拟,开发了数值仿真软件,用于第三代座椅的弹射性能改进和第四代座椅的开发工作——老美的基础设施比俄罗斯差,但数值模拟的水平,那是让毛子望尘莫及的。

回来说我兔。

从公开的报道看,中国的数值模拟弹射研究的起步较晚,至少比美国晚二十年。

《飞行力学》报道,2000年,海军某学院和某大学,用计算机流体力学技术,对飞机弹射座椅的轨迹进行了数值模拟仿真。在人-椅的升力和力矩系数、旋转角速度和着陆速度方面,取得了与传统气动力风洞测试方法相对吻合的系数。

值得注意的是,这个仿真模型有一个假设条件是:弹射时飞机为水平直线飞行,且座椅在铅垂面内运动。

这是什么意思呢?

这就是说,这个模型基本上是正常飞行姿态+正常座椅姿态,而非不利姿态的的弹射仿真模型。

有朋友泄气了——简单姿态地面试验就能实现,还用数值模拟?再说没有复杂姿态,四代座椅就出不来,要这样的模型有什么用啊?

您说的对。不过,这项研究大大减少了弹射座椅基础测试的费用,并缩短了测试时间。虽然起步较晚,但出手不凡,可以说,为中国弹射座椅的数值模拟技术的启动和优化开辟了一条崭新的技术路线。

2007年,某大学航空学院进行了飞行姿态对最低安全高度影响的专项仿真研究。探索了弹射座椅性能已知条件下,最低安全高度受到飞行速度、俯冲角、横滚角、下沉率的影响。这次研究的亮点在于,一反国内仿真计算主要局限于二维仿真和三自由度计算的历史,引入了6自由度人-椅数学模型,且该模型主要研究要素正是四代弹射座椅关注的复杂姿态弹射。

2007年,某大学航空科学与工程学院,以某型弹射座椅为实例,对外研究了美国522起弹射案例,对内研究了国军标GJB1800-93中规定的120种弹射条件所需要的最小安全高度,对其中的68种非平飞无下沉的弹射姿态进行分析。结合俯仰角、横滚角、横滚角速度、下沉率、攻角、侧滑角6个参数。进行了多参数多模态控制进行仿真,并以此为基础,提出了安全高度影响因子法。并最终划分了30多种弹射工作模式。采用多模态-多弹射模式后,可以有效实现横滚角0-90°条件下的弹射救生,倒飞安全高度降低40米。在仿真模型在总体效能上,已接近K-36Д--3.5A,优于ACESII——能看到这样的效能评价,是非常让军迷欣喜的。因为多参数多模态控制仿真效能较好,说明中国四代弹射座椅的理论研究工作取得了突破性进展,对座椅姿态的控制已经打下了坚实的理论基础。当然也有不足,就是飞行速度大于1000公里时,模型对弹射性能的改善作用不够明显,因此高亚音速和超音速的复杂状态弹射依然是很大的问题。

问题,始终存在;进展,持续向前。

2010年,某大学利用数值仿真技术,进行了不利姿态下弹射救生性能分析。这次分析,针对出舱、空中自由飞、救生伞拉直,救生伞张满四个阶段的不同受力和运动特征,分别进行了四类建模,因而可以更加精细化的描述各阶段的物理过程。由于在空中自由飞阶段,人-椅系统同时受到重力、火箭包推力、气动力和稳定减速伞的拉力作用,因此人-椅运动学方差在姿态剧烈变化时有奇异性(奇异性:就是在模型的数值表现上,函数值出现不连续或者不可导丧失可微性……您可以简要理解为:在数学上无法描述),可能导致模型估算产生较大误差。为此,课题组将四元数方法引入三维六自由度模型,解决了奇异性问题,提高了仿真计算精度。通过0时速和850公里时速的两种地面弹射试验与模型结果的分析对比,表明该模型的弹射高度和弹射速度的模拟数值,基本与试验数据吻合,因而基本满足工程应用。

模型是越来越精细化了,复杂姿态的研究也越来越有效。但是,超音速,超音速弹射啊,什么时候才能有突破呢?

随着国力和军力的发展,中国航空救生设备的研发实力不断增强。这其中,最有代表性的就是中国一航航宇救生装备有限公司(以下简称“航宇救生”)。该公司是中国唯一从事航空防护救生/空降空投装备研制的现代高科技产业集团,总部位于湖北襄樊——第一篇介绍的火箭撬轨道,就设在襄北。在中航工业的大量投资下,航宇救生很快建造了亚洲唯一的高速气流吹袭台、不利姿态救生性能试验系统、中国唯一的水上综合救生水池等重要的大型基础科研试验设施等一大批现代航空救生设备研制的基础设施 ,如:

2004年8月10日,航宇救生被誉为“亚洲第一台”的高速气流吹袭试验台建成,其流场质量和数据采集精度处于世界领先水平。

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,航宇救生自行研制、代表国家水平的新型弹射救生装置HTY-5荣获国家科技进步二等奖。

2005年 8月24日,也就是十年前,航宇救生在火箭橇滑轨试验场进行了我国首次进行的超音速全状态综合弹射救生试验

终于看见“超音速弹射试验”了,呵呵。

这标志着中国具备了自行研制第四代弹射座椅所需要的超音速和不利姿态的地面测试条件,与数值仿真技术相互结合,在硬件和软件上,研制中国四代弹射座椅的条件终于逐步成熟。

这位朋友问:看来看去,不是仿真研究,就是基础设施,什么时候才能有型号装备啊?

呵呵,别急,这就来了。

2015年5月,中国航空报公开报道了“国家确定的某重点型号工程”研制情况。在该官泄八股中,我们看到:中国一航航宇救生装备有限公司上海分部的科研工作者,在某型验证机弹射救生系统研制工作中,完成了总体技术方案设计并组织实施,

        解决了弹射时抛盖联锁关键技术难关以及鉴定试验中发生的重大技术问题
        首次将惯性测量技术引入于弹射救生领域,提升了弹射座椅对离机环境的感知能力,实现全程、实时、全面感受弹射座椅六自由度运动参数,为实现自适应控制提供基础
        首次提出了弹射救生领域关于相对地面高度的有效解决方案,实现了弹射离机后开伞控制智能化,对飞机跨区域作战安全救生及提高座椅不利姿态救生性能具有重要意义。
        首次提出了采用新型信号感受、多参数输入多模态控制、弹射动力可控等技术,有效提高了弹射救生系统智能化程度,实现了对复杂离机环境初步自适应弹射救生,大幅提升了复杂不利姿态条件下的救生能力和我国弹射救生技术的总体水平。
        经试验验证,该新一代火箭弹射座椅救生性能全面优于现役装备,达到世界领先水平

这是在公开材料中看到的关于三代半/四代弹射座椅的最新进展。在这段文字中,有重要意义的技术术语不下十个。如果您仔细看过前面三篇的论述,那么一定可以看出,这些八股中的料是有多猛。

呵呵,慢慢品吧,越品,越有味道。

有CD朋友问,J20的座椅是HTY-8的改型吗?这个,真心不知道。至今没有看到J20座舱的照片,因此不敢瞎说。但是,从常理上说,TG空军对纯俄血统的HTY-8应当更多的是专项技术的借鉴,而不是整体设计的继承。中国第三代半弹射座椅研发的基础平台,应该是在自行设计的三代座椅如HTY-5基础上进行大改而成——设计原理和所有数据都知根知底的,而且J20座椅的后倾角度也较为接近歼-10,体积和重量也比仿制K-36的HTY-8要小,似乎更靠谱些吧。

上面说的是三代半。如果说到四代,HTY-5也出来很久了——1989年开始研制2003年基础型号定型,到现在出了3个小型号,也12年了。作为三代半的基础,应该问题不大。但研制四代的座椅,也许会有全新的平台,亦未可知。

《历史篇》、《技术篇》、《飞豹篇》、《四代篇》——唠叨了这许多,《浅谈中外航空弹射座椅的发展》系列文章,到这里就结束了。

从1964年起,中国战机的弹射座椅,从引进到仿制,从仿制到自研,从跟踪研制到创新研制,从实地弹射到数值模拟,历经五十年的发展,终于跻身五大先进之列,向着四代座椅的方向一往前行。一台小小座椅的些许故事,或平淡,或悲壮,或欣喜,与战机、动力、航电…一起,书写就中国航空事业的巨著鸿篇。

今天的我们,无论对航空弹射救生座椅这个课题进行着怎样的褒贬评说,剖短析长,都不应该忘记,那些只能活在我们心里的名字:卢军、卢志勇、叶斌、穆华、余锦旺、姜涛、鲁朋飞…还有更多牺牲的无名英雄们。

我们的讨论,必须是理性的,甚至可以是冰冷的。

但我们的心,至少在某一刻,应当为他们而跳动。

让我们铭记,放眼中国的长空大地之间,有多少试飞员、飞行员和科研工作者,为了这数秒之间的化险为夷,付出了他们的智慧、坚忍和无畏。也正是他们,用青春和生命,化作了中国军迷心中,共和国天边最亮丽的那道彩虹。


笑傲长空将碧血,
何当把酒祭英魂。
一弹化去关头险,
青鸟乘风再入云。


谨以此文向在弹射救生领域做出牺牲和贡献的中国航空人致以崇高的敬意


注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
    《弹射座椅性能研究》
《弹射座椅性能仿真分析》
《飞行姿态对弹射座椅的影响》
空军之翼侯知健先生的《谈谈我国战斗机的弹射座椅》
空军之翼王立杰先生的文章《飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生》
本文还引用了《兵器知识》等多份军工杂志的信息和图片,在此一并致谢!
更多文章,请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html




第三篇续:

第三篇《飞豹篇》发出后,有很多朋友对试飞员的牺牲精神表示敬仰,同时也提出了一些问题,主要有:

1 卢军对飞豹的试飞做出了巨大贡献,但他不是试飞飞豹牺牲的,而是非初教6牺牲的。
兵器迷多方查找资料,发型网上对于卢军的牺牲有很多说法,各不相同,但确实以初教6牺牲的消息为多。

2 1996年大场的事故,有飞行员伤亡
这个资料,网上查不到,但又多位网友表示同样观点。

以上两点,请各位网友明鉴。

3为什么不能立模拟弹射装置,训练飞行员的弹射?
话分两头说:一方面,中国飞行员在飞行学习过程中,是有弹射训练的,但在入役后,就再没有弹射训练了。这种情况到王伟失事之后,有所改善,21世纪初空军已经恢复了弹射训练。

另一方面,中国50年代开始装备弹射训练设备,不过只是训练操作流程和试一下弹射的感觉,过载只有6-8G,而实际弹射时,飞机的速度和姿态这些指标很难模拟,弹射后果也无法预测,过载又多在16-18G左右。但如果真的模拟弹射也这样搞,一部分飞行员会因此受伤而无法继续飞行,这个风险和成本都是无法承受的。因此空军专家的观点是:这个设备,可以训练动作的熟练,但能否提高救生成功率,并不肯定。

西方的现代弹射训练设备大体与TG相似,差别有两个:
1 弹射训练设备带座舱(原文如此)
2 可以自动评估救生效果



                                                         一弹化去关头险,青鸟乘风再入云
                                                                                                ——浅谈中外航空弹射座椅的发展(四)

在前述《历史篇》、《技术篇》和《飞豹篇》当中,我们对前三代弹射座椅的发展历史、技术难度和飞豹事故的弹射因素进行了分析和探讨,那么这一篇,我们将重点讨论第四代弹射座椅的技术和研发进展情况。用官方八卦体来说,也算是回顾过去,展望未来吧,呵呵。
一、第四代弹射座椅的名义包线
在前两篇——《历史篇》和《技术篇》中,我们谈到:第三代弹射座椅能够实现亚音速的速度和高度双态弹射控制。

目前,英、美、俄、中等国现役第三代弹射座椅的双态名义性能包线为:在平飞条件下,飞行高度0~15公里,飞行速度0~1100千米/时。倒飞时安全弹射最低高度,ACESII为46米,中国的HTY-5也是这个水平,K-36最新改型是36米——那是真牛啊。


细心的读者会注意到弹射包线中“名义”这个词。这个词的意思是——有前提条件。而这个前提条件,是指“在平飞条件下”。

通过第二篇的介绍,大家会理解,平飞当然可以大大提高弹射座椅出舱后的姿态有利性,但却严重限制了弹射的实际场景。在那些不属于平飞的不利条件下,即便在包线内弹射,也不能保证弹射的安全。

比如名义包线时速1100公里。但是,从公开数据看,三代弹射座椅在550公里以上弹射时,43%的弹射者死亡或重伤;950公里以上弹射时,69%死亡或重伤,而1100公里以上无统计意义的成功弹射记录。只有俄罗斯的K-36实现过超1马赫(资料原文为1.2马赫)的弹射救生个案。而其他国家在1100千米/时(0.9马赫)以上,连成功弹射的个案都没有。

从国外的总体弹射数据看,大致在1970年代之前,第三代座椅的平均救生成功率为80%。1980年代之后,弹射成功率在90%左右。但是,在实施弹射之后的飞行员,仍然有大约18%受到致命伤害,22%的人员受到重伤导致很难继续飞行。因此实施弹射后的飞行员安全率只有60%左右,依然是个很大的问题。

现在来看看四代座椅。

第四代弹射座椅的名义性能包线,需要扩大到0~1400千米/时(1.15马赫),高度0~21千米,即实现真正的超音速安全弹射。同时倒飞时安全弹射最低高度为15米,并对各种不利姿态的弹射提供有效保障。座椅的平均救生成功率要达到90-95%以上,飞行员弹射后的身体安全也必须大幅提高到85-90%以上。

然而,第四代座椅历经四十年,仍然没有完全实现座椅姿态的有效控制。

谈到这里,我们要看看第一篇就提到的,俄罗斯著名的K-36系列弹射座椅。其最新改进型号K-36Д--3.5是到目前为止,唯一正式列装具备部分第四代座椅特征的“三代半”弹射座椅。(有些媒体和杂志,不知是懒得去找“Д”这个特殊字符还是怎么,直接写K-36II,或者K-36D,因此表述方式与兵器迷不一致,在此特别说明下)。我们下面就参照四代弹射座椅的需求包线目标,来看看四代座椅要达到这些目标,需要哪些技术难关要攻克,顺便介绍一下K-36系列的设计特点。

二、第四代弹射座椅的主要技术
1 自适应控制技术:

第三代弹射座椅,也有弹射控制技术,分为低速状态和高速状态,进行弹射操作(比如火箭点火、开伞时间)的控制。但是,其低速状态是按0速度极限状态设计的,而高速状态又是按最大速度极限状态设计的。而且座椅火箭包的推力大小和方向是不变的。以美国的ACESⅡ弹射座椅为例,其主要弹射模式只有低空低速、低空高速和高空三种模式,因此对多种不同姿态适应性远远不足。

第四代弹射座椅,将根据飞行速度、飞行高度、战机姿态、环境温度、乘员质量等等多种不同维度的数据,选择不同的弹射程序。而弹射程序也将包括力大小、推力方向、推力时间和推力频率等多要素的调整,通过数字式飞行控制弹射程序系统和先进传感器,实现智能化的推力矢量控制。

比如,在K-36Д--2.06基础上研制的三代半的K-36Д--3.5,就引入了高度、地速、表速、动压、下沉率、横滚角、横滚角速度等7个参数值,并映射到50种弹射模式,来决定各弹射执行机构的动作。采用的自适应控制技术包括:电子程控技术,可控推力技术(座椅的火箭包喷口方向,实现了三级可调),横滚姿态控制技术,等等。战机倒飞的最低安全弹射高度,从原来的95米降低到46米。目前,该K-36Д--3.5已经装机SU30-MK,SU-37等机型。

2、座椅稳定技术:
三代弹射座椅,因为战机和环境的问题,导致座椅出舱后失稳翻滚,人-椅系统的过载超限,既会导致弹射高度下降(见第二篇),可能伤害飞行员——有座椅翻滚把人甩的死亡的案例。

四代弹射座椅,可以利用稳定技术,进行快速调姿稳定座椅。

在低速弹射时,因环境中的气动力较小,可以采用推力矢量控制进行座椅修正;而在高速时,仅仅用气动力控制已经不足,可以采用稳定伞(stabilizer drogue)进行姿态调整。比如国产HTY-2,就采用了稳定-3型减速稳定伞。

更进一步的,俄罗斯的K-36系列弹射座椅,采用了稳定杆+稳定伞的特殊技术。即在座椅两边分别伸出两根1.8米的长杆,长杆的末端伸出两个小型旋转稳定伞。弹射时,座椅从机载陀螺仪获得姿态信息,进行长杆和稳定伞伸出时间、长短和稳定伞旋转的控制。这种设计的目的,是让飞行员得以立姿稳定在座椅上。过去三代座椅也会用稳定伞来稳定座椅姿态,人体能够承受20G的过载。而K-36系列的立姿稳定,可以让人体承受30G的过载。

图1:俄罗斯K-36Д-系列弹射座椅(注意座椅后部的两根稳定杆和稳定杆末端的稳定伞)

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2015-8-30 07:44 上传




K-36的这种硬式稳定效果好,但是重量较大。英国MK系列用的是软式稳定。展望四代的座椅稳定技术,除了继续采用稳定伞技术外,主要的技术路线是两条,或者这两条的结合。一是,在座椅椅头部的两侧装高压气体喷嘴,并实现可控推力。二是采用改变推力方向的球形火箭发动机,并调整多喷管的推力大小与方向,实现矢量推力,在出舱条件先天不足的情况下,最大限度、最快速度的稳定座椅。

在座椅稳定技术当中,有一个技术分支,就是环境感知技术。因为弹射座椅离机后,姿态可能不稳定,因此确定火箭包的推力方向就尤为重要。在第三代座椅上,已能做到距地面60米时,即使座舱朝向地面仍可确保弹射座椅离开战斗机后,凭借推力矢量把弹射座椅由下坠姿态转向上升姿态并获得足够的开伞高度,确保人员安全逃生。比如1970年代,美国海军测试的弹射座椅,就在倒置弹射后能迅速扭转姿态爬升。

图2:美国海军测试弹射座椅倒飞弹射

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俄罗斯在战机上安装陀螺仪,将姿态信息在弹射前发给K-36座椅,而西方则大多直接在弹射座椅上安装陀螺仪进行姿态监控,美国还曾设想用大地辐射原理,用微波辐射来感知。座椅完全处于倒飞状态,倒也好办。问题是对于倾斜和滚动状态的座椅,对于在夜间和再海面上的座椅,如何快速感知天地方位和周边环境,就是一个更复杂的技术问题。

3 高速气流防护技术:
超音速弹射时,高速气流对飞行员可能造成身体伤害。航空医学研究表明,人体对动压承受的安全阀值是0.316公斤/平方厘米,超过这个阀值人体就会受伤。如果超过0.598公斤/平方厘米,就可能造成死亡。

有朋友问,这样的动压阀值对应多高的气流速度呢?

这是好问题。给大家提供两个参考数据:

1.        800公里表速对应的气流动压流是0.31公斤/平方厘米——这已经是人体动压安全阀值。

2.        三代弹射座椅的1100时速,是0.58公斤/平方厘米——几乎正好达到造成死亡的动压标准。因此第三代座椅都会为飞行员提供各种防护措施,如限臂板(MK14有限臂网)和限腿带等上肢和下肢约束系统,用于固定飞行员的四肢。又如美国海军的充气颈圈,固定头颈。这些都是为了防止甩打,减轻动压伤害。同时弹射系统还会限制在高速时启动弹射。

四代弹射座椅的气流防护技术,也是围绕控制头颈部载荷,控制四肢甩打,控制人椅减速过载进行的。一种思路,是类似K-36的导流板,安装在椅盆前梁中部,可以减小人椅系统上作用于胸颈部的动压,目前已经实用化。另一种思路,是美国的滞留布帘(凯夫拉织物)方案,安装在椅背侧面,阻滞高速气流,目前在CREST座椅计划中进行测试。

4、弹射座椅技术:
三代弹射座椅,是按飞行员身体尺寸的5-95百分位设计的。也就是说,对身材最高大的那4%和最矮小的那4%, 弹射座椅的尺寸并不合适。

四代弹射座椅,要按3-98百分位设计设计,也就是说,只有身材最高大的那2%和最矮小的那2%不在设计范围内。这样可以扩大4个百分点飞行员的座椅适应性。为弹射效果的提升做出贡献。

四代弹射座椅的技术还有很多,不能一一赘述。不过,话唠的兵器迷,还是想将一个有趣的技术谈一谈,作为四代弹射技术讨论的收尾。说它有趣,是因为该技术具有高度的不确定性,而且也第一篇发出后,CD网友也就此展开了激烈讨论,故此可以让大家有更多的思考空间,这就是——

5 弹射预警技术:
三代弹射座椅,其弹射都是由飞行员发出弹射指令,即拉动弹射手柄启动弹射程序的。问题是,有些需要弹射的场景,是飞行员无法预知的,比如两机相撞或中弹,比如舰载机着舰失败等特殊情况,有时根本来不及手拉弹射。还有一种情况,就是飞行员确实想弹射,但因为受伤或+G机动,已经无力拉动弹射手柄。或者飞行员已经受伤暂时失去意识,无法人为实施弹射。三代座椅并未涉及主(自)动弹射技术。

四代弹射座椅,期望建立一种智能化的自动弹射机制,即弹射预警技术。根据战机的飞行参数、动力参数、飞行员身体参数、燃料参数、外部环境威胁(如空空导弹和地空导弹)参数等建立预警模型。当预警值高于模型的阀值时,由弹射系统自行启动弹射程序。

听起来很美好,一切都自动化了,对吧?

不过,这个技术在四代座椅的开发中是存在很大争议的。其实这个思路并非新鲜出炉——苏联很早就曾经试验过舰载机自动弹射。但预警弹射模型的不够完善。试验时,正常情况下飞行员做了高G机动,有时也被莫名其妙的弹射了。因而导致试验失败,最终没有投入列装产品。

今天的人工智能技术和计算机计算能力、建模能力、遗传算法和自动学习机制都非苏联时期可比。但是,自动弹射的可靠性,敌方电子战诱发战机错误弹射的危险性,都是不容回避的课题。如同美国今天仍未允许无人机主动选择和主动发起攻击目标一样,四代弹射座椅能否允许弹射系统自行决定飞行员放弃飞行器,这仍然是一个不仅仅在技术层面的争议。

三、国外第四代弹射座椅的研制情况
美国从1970年代就进行了四代弹射座椅的预研和技术储备,从1993年开始,正式启动了四代弹射座椅的技术验证计划。1997年在霍洛曼滑轨试验场进行了10次综合验证试验。其结果前面已经谈过,对复杂不利姿态的控制问题仍然没有完全解决。因此,只能用“技术很先进,装机有距离”来评价目前的进展。

看到这里,有人觉得意兴阑珊——没装机的四代座椅,有什么可谈的呢?

兵器迷挠挠头,翻翻书袋……这样吧,有一点似乎还有点意思,我们着重谈一下。这就是俄美两个冤家对头,在第四代弹射座椅研制上的高度合作的故事。

话说俄罗斯K-36系列的弹射座椅,那水平是相当的高,早在1989年6月第38届巴黎航展上,一架单座米格-29飞机在做低空机动表演时因失速,就在飞机触地前2.1秒,飞行员成功实施低空不利姿态弹射而获救,米格-29倒插在地,几秒钟后爆炸,挽救飞行员的就是K-36Д弹射座椅。

图3:米格-29的K36系列弹射座椅在巴黎航展上的经典一幕

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2015-8-30 07:44 上传




K-36系列的出色表现,立刻吸引了美国同行的目光。1993-1995年期间,美国国防部陆续向俄罗斯"星"科学生产联合企业Zvezda发出了K-36弹射座椅的订货要求,前后一共进口了11套K-36-Д座椅。这期间,在美国专家的参与下,在美俄双方的基地,进行了一系列共计17次展示性试验。根据俄方的记录,试验条件数据为:时速0-1350公里,高度0-17公里,迎角30°,侧滑角20°。其弹射效果和系统可靠性得到了美方的高度认可,并表示将作为美国第四代弹射座椅的研制技术储备。

图4:美国测试K36系列座椅

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2015-8-30 07:44 上传




故事到这里,并没有结束。

1993年7月24日下午,2架俄制Mig-29型战斗机在费尔福德国际航空节表演时,由于彼此的飞行轨迹错位,导致僚机和长机发生猛烈碰撞。2架飞机都处于亚音速的飞行状态,所以僚机机身断裂后仅仅3秒钟,就摔落地面爆炸。但飞行员却在离地面50米不到的空中弹射成功。此次事故,2名飞行员全部获救。所用还是K-36系列弹射座椅。

1999年6月12日下午3时左右,又是法国巴黎航展上,编号为01的SU30表演机低空机动失速,飞行员跳伞成功,使用的也是K-36-Д。几次失事弹射中,K-36-Д的优异性能展现无遗。在SU-30事件后的第二天,美国就向俄罗斯表示,希望双方建立联合企业共同生产这种座椅。但是2000年普京执政之后,此事渐渐远去,终而无闻。

回顾历史,K-36系列弹射座椅本来是1960年代中期苏联研制成功的第三代弹射座椅,后经过不断研发改进,形成了K-36-Д, K-36ДM和K-36-Д-3.5等主要系列型号,此外还有很多小改进版本。K-36系列的救生速度包线为1400公里——这已经达到了第四代座椅关于超音速弹射的速度包线,同时,俄罗斯在K-36Д--2.06基础上研制的最新K-36Д--3.5,对部分不利姿态实现了有效控制。因而超越其他各国的三代座椅,成为唯一具备部分第四代座椅特征的“三代半”弹射座椅,装备在SU27/SU35/SU37等一系列战机上。

到2014年,K36系列已生产12000多台,并成为独联体各国的通用化系列座椅。近40年来,K-36系列共挽救了500多名飞行员的生命,其中97%的人不仅成功逃生,而且安全无恙,可以重返蓝天。而在K-36系列基础上改进的K-37弹射座椅,装备在卡-50直升机上。并在K-36基础上研制出暴风雪号航天飞机的弹射座椅,成为航天员救生系统的一部分。关于K-36的更多详情,请参见侯知健先生的文章。

总而言之,K-36系列弹射座椅的改进迭代、技术水平、应用范围和创新思想,以及对弹射救生行业的引领作用,是怎样评价都不为过的。这一点,兵器迷对侯知健先生文中的评论观点完全同意。

有朋友疑惑,美国买了11套K-36,在美国本土测试就好,为什么还要分别在美俄两个国家试验呢?

第一篇确实曾经说过,俄美英中四国可以研制第三代座椅。但是,就试验设备而言,俄罗斯在部分设备上还是比其他国家有优势的。我们举两个例子。

一个是开口风洞。美国的弹射座椅测试只有闭口风洞。风洞出口速度600海里/小时,即时速1100-1200公里,而俄罗斯有开口风洞,风洞出口速度达到了1420公里。也就是说,美国的弹射座椅无法在超音速风洞测试,因此上文谈到的美俄对K-36系列所做0-1350公里弹射测试中的超音速测试部分,就是在俄罗斯境内测试场进行的。

另一个是超音速实机弹射。弹射座椅在进行地面风洞测试和地面火箭撬滑轨试验之后,还要进行空中实机弹射试验。这是因为,地面试验大多是速度包线的弹射测试。但对高度和飞行姿态,特别是不利姿态的测试,是地面测试无法完全替代的,为了确保装备的可靠性,还是要真机弹射才更有说服力。

弹射试验机一般是使用双座战机改成的。这是为什么呢?

对了,就是为了在空中弹射之后,能有飞行员把飞机开回来。要不弹射完就成了无人机了。弹射一次就损失一架飞机,什么样的土豪也受不了啊。

因此,弹射机一般将用于试验的弹射座椅安装于后座。座椅上有人形模特,从尺寸、质地、重量等各方面尽量接近生物人体。而前座就是真人飞行员,负责将战机飞到弹射测试的状态。因此,绝大多数空中弹射试验都是真机弹射假人。当然,只要是空中弹射试验,哪怕弹射的是假人,风险也是很高的。就国内标准来说,无论平飞状态弹射试验还是机动状态,也一定都是试飞中Ⅰ类、Ⅱ类风险科目。

因为风险高,所以空中弹射救生系统的试验都是从易到难逐步进行的。可以想象,先进行平飞状态,然后再进行各种简单机动状态,最后进行较为复杂状态的飞行试验。试验机的飞行高度、飞行速度都逐渐接近设计包线,以便获得各种试验数据,也能够尽量保证试验机及试飞员的安全。

当试验机到达预定弹射试验的空域范围和姿态时,飞行员就接通弹射按钮,座椅弹射出舱,同时发出弹射口令。跟随弹射试验机的伴飞编队的飞机上,以及地面监控团队,就会根据飞行员的弹射口令,控制摄影机和数据记录装置记录试验数据,并观察救生系统工作情况。

虽然美俄都有弹射试验机,但美国是不具备超音速弹射试验机的。而俄罗斯利用米格25改装成2-2.5倍音速弹射试验,因此在这方面也比美国有优势。

说到此处,第四代弹射座椅的情况就介绍到这里了。兵器迷掩卷叹息:超音速开口风洞和超音速弹射试验机的长期独占,固然从另一个侧面印证了俄罗斯在第四代弹射座椅研究上领先的原因。老毛子数十年前基础设施,时至今日很多方面依然胜过美国,更不要说TG了。苏联帝国的家底之雄厚,祖业之辉煌,仅此一例,足见一斑。而苏联解体之后,像K36这样的国家瑰宝都不得不拿来与美国共享。抚今追昔之下,其颓退之势,怎不令人慨叹再三。
四、中国三代半/第四代弹射座椅的研制情况
中国的四代弹射座椅研制开始较晚,主要是因为我们长期缺乏不利姿态弹射的试验手段。

第一篇谈到过,我兔在1970年代就生产出低速和高速火箭滑车,但却长期缺乏多轴向滑车和多功能塔台,无法再地面进行不利姿态的弹射试验。超音速弹射的地面测试设备也长期空白。中国歼轰7所用的HTY-6型座椅,在研制的时候也曾在俄罗斯利用超音速风洞进行试验,这是官方公开承认的。

而第三篇谈到过,空中弹射的成本非常高昂,而四代座椅测试又强调复杂不利姿态,这空中弹射的风险性就更高了。

中国弹射座椅的研究,曾长期依赖地面试验和经验设计,可是地面测试设备费钱费时,空中弹射又危险,两头堵啊。

办法也是有的——很多时候,人被堵到一定程度,办法就也就憋出来了。

这个办法就是数值模拟仿真。

其实,早在1970年代,美国就开始将数值模拟技术应用与弹射救生的仿真。到1990年代,已经能够用数值模拟技术对其通用装备的第三代ACES-II座椅进行全面的仿真计算。并根据弹射座椅的数值模拟,开发了数值仿真软件,用于第三代座椅的弹射性能改进和第四代座椅的开发工作——老美的基础设施比俄罗斯差,但数值模拟的水平,那是让毛子望尘莫及的。

回来说我兔。

从公开的报道看,中国的数值模拟弹射研究的起步较晚,至少比美国晚二十年。

《飞行力学》报道,2000年,海军某学院和某大学,用计算机流体力学技术,对飞机弹射座椅的轨迹进行了数值模拟仿真。在人-椅的升力和力矩系数、旋转角速度和着陆速度方面,取得了与传统气动力风洞测试方法相对吻合的系数。

值得注意的是,这个仿真模型有一个假设条件是:弹射时飞机为水平直线飞行,且座椅在铅垂面内运动。

这是什么意思呢?

这就是说,这个模型基本上是正常飞行姿态+正常座椅姿态,而非不利姿态的的弹射仿真模型。

有朋友泄气了——简单姿态地面试验就能实现,还用数值模拟?再说没有复杂姿态,四代座椅就出不来,要这样的模型有什么用啊?

您说的对。不过,这项研究大大减少了弹射座椅基础测试的费用,并缩短了测试时间。虽然起步较晚,但出手不凡,可以说,为中国弹射座椅的数值模拟技术的启动和优化开辟了一条崭新的技术路线。

2007年,某大学航空学院进行了飞行姿态对最低安全高度影响的专项仿真研究。探索了弹射座椅性能已知条件下,最低安全高度受到飞行速度、俯冲角、横滚角、下沉率的影响。这次研究的亮点在于,一反国内仿真计算主要局限于二维仿真和三自由度计算的历史,引入了6自由度人-椅数学模型,且该模型主要研究要素正是四代弹射座椅关注的复杂姿态弹射。

2007年,某大学航空科学与工程学院,以某型弹射座椅为实例,对外研究了美国522起弹射案例,对内研究了国军标GJB1800-93中规定的120种弹射条件所需要的最小安全高度,对其中的68种非平飞无下沉的弹射姿态进行分析。结合俯仰角、横滚角、横滚角速度、下沉率、攻角、侧滑角6个参数。进行了多参数多模态控制进行仿真,并以此为基础,提出了安全高度影响因子法。并最终划分了30多种弹射工作模式。采用多模态-多弹射模式后,可以有效实现横滚角0-90°条件下的弹射救生,倒飞安全高度降低40米。在仿真模型在总体效能上,已接近K-36Д--3.5A,优于ACESII——能看到这样的效能评价,是非常让军迷欣喜的。因为多参数多模态控制仿真效能较好,说明中国四代弹射座椅的理论研究工作取得了突破性进展,对座椅姿态的控制已经打下了坚实的理论基础。当然也有不足,就是飞行速度大于1000公里时,模型对弹射性能的改善作用不够明显,因此高亚音速和超音速的复杂状态弹射依然是很大的问题。

问题,始终存在;进展,持续向前。

2010年,某大学利用数值仿真技术,进行了不利姿态下弹射救生性能分析。这次分析,针对出舱、空中自由飞、救生伞拉直,救生伞张满四个阶段的不同受力和运动特征,分别进行了四类建模,因而可以更加精细化的描述各阶段的物理过程。由于在空中自由飞阶段,人-椅系统同时受到重力、火箭包推力、气动力和稳定减速伞的拉力作用,因此人-椅运动学方差在姿态剧烈变化时有奇异性(奇异性:就是在模型的数值表现上,函数值出现不连续或者不可导丧失可微性……您可以简要理解为:在数学上无法描述),可能导致模型估算产生较大误差。为此,课题组将四元数方法引入三维六自由度模型,解决了奇异性问题,提高了仿真计算精度。通过0时速和850公里时速的两种地面弹射试验与模型结果的分析对比,表明该模型的弹射高度和弹射速度的模拟数值,基本与试验数据吻合,因而基本满足工程应用。

模型是越来越精细化了,复杂姿态的研究也越来越有效。但是,超音速,超音速弹射啊,什么时候才能有突破呢?

随着国力和军力的发展,中国航空救生设备的研发实力不断增强。这其中,最有代表性的就是中国一航航宇救生装备有限公司(以下简称“航宇救生”)。该公司是中国唯一从事航空防护救生/空降空投装备研制的现代高科技产业集团,总部位于湖北襄樊——第一篇介绍的火箭撬轨道,就设在襄北。在中航工业的大量投资下,航宇救生很快建造了亚洲唯一的高速气流吹袭台、不利姿态救生性能试验系统、中国唯一的水上综合救生水池等重要的大型基础科研试验设施等一大批现代航空救生设备研制的基础设施 ,如:

2004年8月10日,航宇救生被誉为“亚洲第一台”的高速气流吹袭试验台建成,其流场质量和数据采集精度处于世界领先水平。

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,航宇救生自行研制、代表国家水平的新型弹射救生装置HTY-5荣获国家科技进步二等奖。

2005年 8月24日,也就是十年前,航宇救生在火箭橇滑轨试验场进行了我国首次进行的超音速全状态综合弹射救生试验

终于看见“超音速弹射试验”了,呵呵。

这标志着中国具备了自行研制第四代弹射座椅所需要的超音速和不利姿态的地面测试条件,与数值仿真技术相互结合,在硬件和软件上,研制中国四代弹射座椅的条件终于逐步成熟。

这位朋友问:看来看去,不是仿真研究,就是基础设施,什么时候才能有型号装备啊?

呵呵,别急,这就来了。

2015年5月,中国航空报公开报道了“国家确定的某重点型号工程”研制情况。在该官泄八股中,我们看到:中国一航航宇救生装备有限公司上海分部的科研工作者,在某型验证机弹射救生系统研制工作中,完成了总体技术方案设计并组织实施,

        解决了弹射时抛盖联锁关键技术难关以及鉴定试验中发生的重大技术问题
        首次将惯性测量技术引入于弹射救生领域,提升了弹射座椅对离机环境的感知能力,实现全程、实时、全面感受弹射座椅六自由度运动参数,为实现自适应控制提供基础
        首次提出了弹射救生领域关于相对地面高度的有效解决方案,实现了弹射离机后开伞控制智能化,对飞机跨区域作战安全救生及提高座椅不利姿态救生性能具有重要意义。
        首次提出了采用新型信号感受、多参数输入多模态控制、弹射动力可控等技术,有效提高了弹射救生系统智能化程度,实现了对复杂离机环境初步自适应弹射救生,大幅提升了复杂不利姿态条件下的救生能力和我国弹射救生技术的总体水平。
        经试验验证,该新一代火箭弹射座椅救生性能全面优于现役装备,达到世界领先水平

这是在公开材料中看到的关于三代半/四代弹射座椅的最新进展。在这段文字中,有重要意义的技术术语不下十个。如果您仔细看过前面三篇的论述,那么一定可以看出,这些八股中的料是有多猛。

呵呵,慢慢品吧,越品,越有味道。

有CD朋友问,J20的座椅是HTY-8的改型吗?这个,真心不知道。至今没有看到J20座舱的照片,因此不敢瞎说。但是,从常理上说,TG空军对纯俄血统的HTY-8应当更多的是专项技术的借鉴,而不是整体设计的继承。中国第三代半弹射座椅研发的基础平台,应该是在自行设计的三代座椅如HTY-5基础上进行大改而成——设计原理和所有数据都知根知底的,而且J20座椅的后倾角度也较为接近歼-10,体积和重量也比仿制K-36的HTY-8要小,似乎更靠谱些吧。

上面说的是三代半。如果说到四代,HTY-5也出来很久了——1989年开始研制2003年基础型号定型,到现在出了3个小型号,也12年了。作为三代半的基础,应该问题不大。但研制四代的座椅,也许会有全新的平台,亦未可知。

《历史篇》、《技术篇》、《飞豹篇》、《四代篇》——唠叨了这许多,《浅谈中外航空弹射座椅的发展》系列文章,到这里就结束了。

从1964年起,中国战机的弹射座椅,从引进到仿制,从仿制到自研,从跟踪研制到创新研制,从实地弹射到数值模拟,历经五十年的发展,终于跻身五大先进之列,向着四代座椅的方向一往前行。一台小小座椅的些许故事,或平淡,或悲壮,或欣喜,与战机、动力、航电…一起,书写就中国航空事业的巨著鸿篇。

今天的我们,无论对航空弹射救生座椅这个课题进行着怎样的褒贬评说,剖短析长,都不应该忘记,那些只能活在我们心里的名字:卢军、卢志勇、叶斌、穆华、余锦旺、姜涛、鲁朋飞…还有更多牺牲的无名英雄们。

我们的讨论,必须是理性的,甚至可以是冰冷的。

但我们的心,至少在某一刻,应当为他们而跳动。

让我们铭记,放眼中国的长空大地之间,有多少试飞员、飞行员和科研工作者,为了这数秒之间的化险为夷,付出了他们的智慧、坚忍和无畏。也正是他们,用青春和生命,化作了中国军迷心中,共和国天边最亮丽的那道彩虹。


笑傲长空将碧血,
何当把酒祭英魂。
一弹化去关头险,
青鸟乘风再入云。

谨以此文向在弹射救生领域做出牺牲和贡献的中国航空人致以崇高的敬意

注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
    《弹射座椅性能研究》
《弹射座椅性能仿真分析》
《飞行姿态对弹射座椅的影响》
空军之翼侯知健先生的《谈谈我国战斗机的弹射座椅》
空军之翼王立杰先生的文章《飞行安全的最后防线——浅谈弹射逃生》
本文还引用了《兵器知识》等多份军工杂志的信息和图片,在此一并致谢!
更多文章,请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html


前排支持科普好文!
拜读.
感谢!!
LZ有心人,好帖顶。。
好文章,学习了
文虽很长,但我仍一口气读完,收益非浅,多谢LZ。
好文!膜拜LZ。
PS:当年美国人拍摄《壮志凌云》的时候,一架汤姆猫进入水平螺旋时由于没有能够及时拉出而造成了机毁人亡。LZ能不能借着这次科普弹射座椅分析一下这次经典事故?
兵器迷的文章,资料详尽,分析入深。{:soso_e179:}
好文章!必须顶!
领教,楼主辛苦!!!
听说以前天朝的弹射座椅飞行员都怕使用,弹后最好结果也是腰椎压缩性骨折,是否?
很精彩。必须顶。
来自:关于超级大本营
写得很好。
楼主有心人!ヽ(▽)ノ

另外想问问猛禽上面安的是什么椅子
非常精彩的科普,感谢楼主!{:soso_e163:}
兵器迷的帖子 必须要顶 可读性很强
兵器迷写的系列真的不错!
向烈士致敬。
“把身躯都磨平了...”飞行试验中险象环生,稍后不慎,后果就是机会人亡。
但是英雄仍然向往蓝天,豪气干云。
向他们致敬。
没事 发表于 2015-8-30 15:01
听说以前天朝的弹射座椅飞行员都怕使用,弹后最好结果也是腰椎压缩性骨折,是否?
您可以看看我前几篇的讨论,就会知道了。您说的最好结果,不太客观,呵呵。
好文章
2233a2010 发表于 2015-8-30 20:09
楼主有心人!ヽ(▽)ノ

另外想问问猛禽上面安的是什么椅子
美国在研的四代座椅都没有装备型号。据我所知,目前F22用的还是ACES II。

谢谢讨论。
好文,俄罗斯的K-36挽救了500多名飞行员,看来印度其中的贡献不少,有实际弹射实例,才能更好的改进
好文章进来顶一下
这么好的文章没人顶吗?都喜欢那种铁血文?超大没救了
好文章一篇一篇追下来,确实不错
chinazrx 发表于 2015-9-1 14:52
这么好的文章没人顶吗?都喜欢那种铁血文?超大没救了
谢谢鼓励。

其实,CD这边还好。很多评论者都有一定的专业性。

有些网站左左右右的很多,只讲立场,不看事实。
图文并茂长知识
mark下,好好学习
兵器迷的天空 发表于 2015-8-31 10:55
您可以看看我前几篇的讨论,就会知道了。您说的最好结果,不太客观,呵呵。
我没找到啊,麻烦你发给我看看
好的,这是我博客的链接,所有文章都可以找到。
http://blog.sina.com.cn/u/1455885643

欢迎您常来做客。
期待我们的好座椅~!!{:soso_e179:}
兵器迷的天空 发表于 2015-9-2 07:30
好的,这是我博客的链接,所有文章都可以找到。
http://blog.sina.com.cn/u/1455885643
感谢楼主!!!
感谢楼主好文
支持楼主,提个建议,能不能在每个帖子里都加上其他连载的链接呢,这样方便大家阅读
好文拜读,这样的LZ多多益善。
楼主好文
是不是“空军之翼”也有这个系列文章?!
羽毛蛇 发表于 2015-9-2 19:12
支持楼主,提个建议,能不能在每个帖子里都加上其他连载的链接呢,这样方便大家阅读
谢谢。

在每篇帖子之后,都有我所有文章的博客链接:

http://blog.sina.com.cn/u/1455885643

欢迎您来做客!
zyssn571 发表于 2015-9-3 06:04
是不是“空军之翼”也有这个系列文章?!
您说得对,

空军之翼转载了我的文章。