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从歼10推测歼20抗过载设计:歼10飞行员曾肺萎缩  

2015-03-15 08:08:16|  分类: 关注国防 |  标签: |举报 |字号 订阅

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歼-10的抗过载设计并不完美(摄影:威猛)

导语

在歼-10上我国实现了战斗机9G持续过载达到15秒的三代主流水平。但最新型战斗机的抗过载要求并不止于此,西方国家现在甚至已经实现了超过10G过载持续45秒的研究水平。那么歼-20将会如何发展抗过载能力呢?

一.歼-10的设计教训

这个世界上从不存在设计完美的飞机,从项目总体论证到具体详细设计,一型飞机总要留下各式各样的缺陷,一些缺陷可以改进、弥补,另一些涉及面太广、改动成本太高的缺陷就只能付诸感叹,歼-10设计也是如此。

由于我国长期匮乏高过载飞行经验,设计方意图和用户意见常常冲突;在歼-10相关部分的论证设计过程中,就因此出现了明显的不协调和自相矛盾。从好的方面来说,歼-10项目从一开始对抗过载设计便非常重视,新歼项目还在向相关研究所下达预研通知时就强调了高过载座舱的设计技术,并在国内首次将加压呼吸功能作为飞行员抗过载措施的重要组成部分。这两项技术都是三代机能够进行持续性高过载飞行的关键所在。

从不够协调的方面来说,三代鸭式布局战斗机,是从飞行原理上最适合、总体性能设计中也最强调高敏捷飞行的。但歼-10在座舱抗过载设计上未能突破传统中置驾驶杆座舱的设计限制,导致性能和三代机中的F-16、阵风等型号存在一定差距;在以最短时间达到极限过载,过载增加速率特别大的高敏捷飞行条件下,这种差距甚至会被放大到超过1G以上。而对于那些自身基础抗荷能力好、对于抗荷措施改善效果更加敏感的高素质飞行员来说,这种差距还会表现的更大。

肺萎缩症状

从自相矛盾的方面来说,歼-10在早期配套抗荷服的选择方向上犯了严重的路线错误。侧管式抗荷服对于飞行员腿部、胸腹的加压过程非常死板,压力大小不会随着飞行员的呼吸协调变化;这使飞行员在进行加压呼吸时胸腹部肌肉特别费力,一般只能维持几分钟到十几分钟就会严重疲劳。

实际上侧管式抗荷服不仅限制了飞行员的抗载荷能力,而且还直接导致了2004~2005年前后,歼-10部队一度频繁出现飞行员肺萎缩的病例:很多歼-10飞行员出于对呼吸疲劳的难以忍受和畏惧情绪,常常不愿执行在过载飞行中进行加压呼吸的相关规定。然而加压呼吸强制向飞行员肺部中灌入带有额外压力的大流量气体,正是预防肺萎缩的最有效措施之一。

大过载下飞行员的肺脏由于高倍重力作用往下坠,腹腔内的器官又被抗荷服压住往上涌,肺叶本身就受到双重压迫。一旦飞行员吸入肺部内气体(高含氧量或是纯氧)中的氧气被肺泡吸收完,肺叶缺乏气体的支撑就会被压扁而无法自行恢复到舒张状态。西方也曾在上世纪6、70年代时大量出现这类问题,但随后就从装备改进和制度管理上进行了有效克服,到80年代以后已极少见诸报道。从整体历史上看,这也算是我军弥补训练欠账所必须交出的学费。

加压呼吸能有效预防高过载飞行带来的肺萎缩

即使是现在的歼-10早已完成换装新型环控系统和囊式抗荷服等改进,实现了堪称三代主流水平的9G过载持续15秒的能力,但是和最新一代战斗机的要求却仍然有着很大的差距。这种差距主要体现在三个方面:现有的抗荷服覆盖体表面积相对较小;没有抗荷背心提供胸部外的对抗压力,使加压呼吸的强度仍然处于一个较低的水平;整个抗荷系统的反应速度不够快,不能满足应对过载变化非常快的高敏捷飞行要求。

在战斗机抗过载性能的前沿研究中,西方国家现在已经实现了超过10G过载持续45秒的成绩。然而就像西方也很难直接将这种高水平成果直接移植到现有三代机上一样,歼-10由于座舱、环控等源于飞机平台的限制,未来的抗过载能力提升将较为有限。

但是歼-20则完全不同,作为全新设计的战斗机,它在新技术的应用上没有各种基于历史原因形成的限制。虽然在自研三代机的飞行员个人防护装备上,我国产品性能一度落后西方20~30年,在舒适性、重量、维护性等方面差距还要更大;但这其中有很大程度是来源于理论水平和观念认识上的欠缺,这在今天早已得到了很大的弥补。

可以相信的是,歼-20在过载设计上将会是我国有史以来理念最为先进、和西方前沿科研领域水平相差最小的一款型号,决定其性能的主要限制基本上只会来自于技术能力层面。事实上我们完全可以通过现有的三四代战斗机型号,来推测歼-20抗过载发展的一些基本脉络。

二.歼-20极可能采用F-16的30度后倾座椅

在国内21世纪以后的研究中,大后倾座椅的优势开始在军队科研系统内部也得到越来越多的认同。除了长期以来的一些偏见,比如“30度以上的后倾座椅会对飞行员的认知能力形成负面影响”被证明毫无根据外;超出9G强度的高过载试验也反复证明,大后倾座椅已经是达成期望指标的必需措施。比如我国十多年前在地面离心机试验中初步突破10G过载(持续10秒)的指标时,就是在45度后倾座椅上实现的;而如果在飞机上,这就正好等效于30度后倾座椅。

从歼-10的实际飞行经验和近年来的实验研究来说,歼-20采用比歼-10更大的座椅后倾角度几乎是可以肯定的。而这个角度的大致范围,是与现有的西方型号——比如F-16、F-22、阵风等战斗机保持一致,在30度左右;还是选取更大的45度角,又或是F-16最初设计时曾经考虑过的65度?


F-16的30度大后倾座椅

如果仅从地面离心机测试来说,二代机和部分早期三代机(比如F-15与苏-27)设计采用的传统13度左右后倾设计与30度后倾设计实际效果相差很小;抗过载能力明显增强的临界点正好出现在30度以后,达到45度时已经非常明显。尤其是对于素质较好的飞行员,45度后倾座椅会为他们提供1.6G以上的抗荷加成;即使是一般飞行员,普遍也能获得超过1G的益处。

这种增益还是在过载增加速率保持在一般三代机性能要求(3G/秒)下,即飞行员要花接近3秒钟从平飞进入最大过载状态下获得的数字。如果是按新一代的高敏捷飞行要求(6G/秒),战斗机必须在不到1.5秒以内从平飞进入到最大过载状态,45度座椅后倾角度的优势还将明显加大。

从实际飞行来说,飞机在高过载状态下一般会有15度以上的抬头迎角,也就是说30度后倾座椅在飞行中能够获得大于地面离心机测试中45度座椅的效果。这正是歼-10、FC-1等机型在传统座舱布局限制下尽可能改善抗过载能力的秘诀之一:将座椅后倾角度设计成略大于20度,既和传统座椅座椅相差不特别大,又能在飞行中形成接近40度的实际后倾角度,也能获得较为明显的抗过载能力提升。

虽然这种迎角的加成对于45度、65度座椅一样有效,但是座椅后倾角度太大也并不全是好事。第一个坏处是飞行员躺的太倒以后,座舱视野必然严重受限,这对于视距内的战斗非常不利;第二个坏处是座椅占据的纵向空间会大幅加大,对座舱设计来说很难容纳;而第三个坏处则更要命,它会严重加大弹射救生的技术难度和失败几率。

因此多数飞机设计师都认为,在抗过载能力与飞机总体设计之间取舍的最佳结果,就是采用30度左右的后倾座椅。这又带出了一个衍生问题:飞机最好使用侧置驾驶杆布局。

三.F-16侧杆设计不佳,歼-20侧杆可能类似阵风

飞行员大幅后倾以后,右手再要够着离裆部有一定距离(保证人身安全)的中置驾驶杆就很不顺手了。F-16为此采用了侧置驾驶杆,但因为设计年代太早,它在人机工程学上的性能远达不到网络上一些人无限吹嘘的程度,甚至可以用糟糕来形容,这正是当年我国军队抵制侧杆设计的关键原因之一。

FC-1座舱,三代电传机的中杆行程较大,一般在120~130毫米间

F-16最早采用的是力信号回馈驾驶杆设计,飞行员完全扳不动驾驶杆,只能依靠右手握力的方向与大小来控制飞机。但是生理特性就决定了人对于力大小的敏感程度远低于对距离的敏感程度,尤其是在高过载下飞行员全身都要绷着劲,用力大小和方向就更难把握了。在后来批产时,F-16对于侧杆进行了改进,增加了位移信号回馈功能;飞行员终于可以把驾驶杆前后左右扳动了,但由于位移行程仅有3毫米,因此总的操控感仍然不理想。

F-16的侧杆

因为驾驶杆的操控问题,F-16的驾驶培训难度偏高;在整个三代机范围中,F-16系列的培训时间、双座机比例一直都保持在特别高的水平。这不仅带来了很大的经济成本问题,也带来了服役早期频发的飞行安全问题:当美国人残暴凶狠的飞行训练传统遇上不易控制拉杆程度而又相当敏捷的F-16,一系列机毁人亡的事故就出现了。在事故原因的调查统计中,飞行员由于瞬间飞行过载达到12~13G导致晕厥,最终坠机的情况并非个例。

客观的说,要处理好高过载下仅用手腕控制的驾驶杆操控特性,达到力度、行程的最优化;实现既控制灵活又不易推拉过度,行程足够大又不易在高过载下诱发飞行员手腕疲劳、扭伤的效果,确实有较大的设计难度。恰好我国早年对于侧杆的认识几乎全部来自于F-16,很多人将F-16的设计不足当成了侧杆本身难以克服的缺陷——这甚至还包括了611设计所的部分设计人员,因此歼-10最终选择了大行程的传统中杆设计。

侧杆设计在后来的阵风和F-22等型号上得到了非常大的完善,尤其是阵风。法国在航空领域的人机工程、个人防护设备等方面造诣极深,不少方面还超过美国;比如阵风战斗机的飞行员抗过载防护系统中,它所采用的电子调节式抗荷调压器就比F-22的机械反馈结构产品要先进整整一代;不出意外的话,歼-20抗荷系统中的抗荷调压器也将进化为电子控制结构。除了驾驶杆的操纵品质非常出色以外,阵风的驾驶杆、油门杆的安装位置还刻意进行了大幅度增高;以彻底消除飞行员的手臂疼痛问题——这是中杆飞机所做不到的。

三代机飞行员在高过载下飞行时,会受到高重力与加压呼吸的共同作用,血液向静脉内大量沉积导致血管扩张,这种现象很容易使飞行员产生强烈的手臂疼痛。对于操作飞机时手臂位置一定会特别低的中杆布局三代机,这种现象尤其严重和普遍,对飞行员在空战中的注意力集中和操作动作准确性影响很大。JAS-39就出现过这种问题,后来专门改进了飞行员的抗荷服装,为手臂施加外部压力以缓解血管扩张的现象。在训练强度较大的歼-10部队中这一问题也比较严重,而且现在还没有针对性的手臂防护措施。

阵风的驾驶杆和油门杆安装位置都高于正常标准,这一思路很可能会被歼-20吸取

611所虽然在歼-10和FC-1两个型号的研制过程中都是采用中杆布局,但是对驾驶杆的力、位移双重耦合回馈设计却已经很有经验。尤其是FC-1的飞控研制过程中,如何使驾驶杆在能够同时协调电传与机械飞控的情况下仍然具有良好的操控特性,对于611所的人机工程水平起到了很大的锻炼作用。以611所的研制历史和一贯能力表现来说,在今天研制出媲美阵风的侧置驾驶杆设计并不算是奢望。而在侧杆和油门杆的基本布局上,采取类似阵风的高安装位置设计不仅理论上是最佳的选择,而且歼-10的实际飞行经验也证明了其必要性。

四.歼-20新抗荷系统将采用新型结构抗荷服

在航空史上,人类研制过很多种结构的抗荷服;这其中一部分已经被证明没有实用价值而被放弃,另一部分虽然性能前景看好,但是由于种种限制仍不能投入实用,只能继续在实验室中发展。比如堪称“丧心病狂”的阻断式抗荷服,它在飞行员大腿根部设置了高压环形气囊,通过在短时间内完全阻断下肢的血液循环可以获得2.6G甚至更高的抗荷效果;但由于飞行员对它带来的巨大疼痛实在是无法忍受,因此从未实用过。

再比如很多读者都对动画《EVA》中充满液体的驾驶舱印象深刻,其实它的原型之一来自于麦道公司一种始终未能实用化的“拟人防护服”综合防护系统。该系统将人体置于平齐颈部高度的液体中,借助液体不可压缩的特性,均匀的对人体表面施压,理论上可以达到超过7G的抗荷效果。

在上世纪四十年代,加拿大曾经研制过另一种水压结构的抗荷服。它在飞行员头部高度设置了水箱,在双层裤子中设置了一个充水夹层。在高过载时,裤子内的水压会同步增大,为人体提供1.7G的抗荷效果。因为使用起来太麻烦,水压抗荷服短暂装备后就被淘汰了,但这种技术仍在实验室中发展。早在90年代瑞士、德国、美国的联合实验中,类似的夹层结构充液服就完成了持续性12G过载试验,飞行员在9G下甚至还能完成吃东西的动作。

第四代战斗机的抗荷服性能提升来自于气囊覆盖面积的提升——它已经覆盖了飞行员的完整躯干和下肢。包裹的这么厚实,闷热可想而知。

然而这些实验室中的高效抗荷方案,始终无法摆脱设备复杂沉重、可靠性差等各种缺陷,至今无法真正实用普及。在经历各种失败和挫折后,现代抗荷服的发展路线仍然只能围绕气囊加压式结构展开。比如歼-10现在配用的KH7,它就是典型的五囊结构,五个气囊分别对应腹部、大腿、小腿;而散热则通过气囊内的气体不断通风完成。

由于基本原理上无法得到突破,新一代抗荷服的性能提升主要依靠增大气囊对人体表面的覆盖面积来实现。在面积上,新抗荷服气囊对飞行员下身的覆盖面积将从45%提升到60~90%的范围;而在具体结构上,很可能从五气囊进化成多个可伸缩气囊。在不充气时,这些气囊会缩小成多个小囊,减少气囊对人体的覆盖面积,有利于透气散热;而在充气时,小囊膨胀并连接成一个大气囊,可以提供更大的体表覆盖面积,提升加压效果。

此外歼-20会进一步加强加压呼吸的效果,而关键措施之一就是配备囊式抗荷背心;通过在胸部外施压增加对抗压力后,飞行员呼吸时承受的氧气压力可以得到非常明显的提高。新型抗荷背心的结构非常可能类似F-22配备的CSU-17/P背心,采用方便穿脱的前开口、胸前双气囊和颈后小气囊组合结构。

低空高速飞行中,狭小的座舱将受到高达十几千瓦的热功率烘烤

五.歼-20将会有空前强大的环控系统

很多新的抗过载技术可以用于指导新型飞机研制,但却难以应用于已有型号改进。最明显的例子就是座舱抗过载设计,座椅、驾驶杆、油门杆、脚蹬、仪表台基本框架的设计在飞机定型以后都是难以进行较大幅度改动的。不仅如此,就连飞行员穿着的抗荷服也一样要受到来自飞机平台的限制。

和普通人在盛夏中觉得不适、抱怨连天的闷热相比,飞行员的闷热是以生理耐受极限为衡量标准的,因为战斗机座舱很多时候(比如低空高速飞行、高机动飞行)实在是太热了。即使是各国设计师们尽可能增大了座舱环控系统的通风量和制冷量,现在世界上仍然不存在完全解决座舱过热问题的战斗机。

以狂风战斗机为例,它在超低空以0.9倍声速飞行时座舱的热功率接近13千瓦。这其中由前机身和空气高速摩擦产生的热量达到9千瓦,其余则是雷达散热和太阳照射座舱带来的热量。读者可以试想自己和13千瓦的电炉挤在轿内是什么感觉;何况战斗机座舱空间远比轿车小。这种问题还在变得越来越严重:四代机不仅强调持续性的超声速飞行,而且都标配功率特别大的有源相控阵雷达。

当人体的体表温度超过35度时,抗荷耐力就会开始大幅度下降,严重时幅度甚至可以达到2G以上,同时热应激还会使飞行员出现头晕、恶心、呼吸困难等一系列反应,丧失完成作战任务的能力。美国空军作战部就是因此而做出了规定,气温超过38度以后禁止战斗机在900米以下飞行,超过45度则完全禁止飞行。

越是先进的抗荷服覆盖人体的面积也越大,散热越是困难;为了保证飞行员体温不超标,座舱温度需要降的更低。西方研究证明,当飞行员穿着覆盖下身面积>90%,以及有胸部气囊的新一代抗荷服进行高机动飞行时,座舱温度需要低到6度才能保证飞行员不因为体温过高而损失抗荷能力。如果欠缺一套通风和制冷能力特别强大的座舱环控系统,要在夏季低空飞行中满足这一要求是不可能的。

这就是为什么F-35飞行员飞行服采用网格面料的原因

面对这种情况,歼-20必然会在设计中强调两点。首先是前机身上的气动加热和雷达等电子设备产生的废热进行优化程度更高的处理,进一步减少它们对座舱的影响;比如努力提高液冷循环(将热量传递给燃油进行预热)的效率等。其次是吸取F-22环控设备的教训,不过度苛求环控系统的低重量、小体积、高度综合化;而是以绝对性能指标和可靠性为重,首先保证可靠性和座舱拥有足够的通气量和制冷量等关键指标。不出意外的话,歼-20上的环控系统很可能会是迄今为止单座战斗机中性能最为强大的。

结语

“武器装备的性能”与“人的因素”实际上从来就不是孤立、以至于对立的因素。尤其是在设计、制造、使用都非常复杂的高技术装备中,不利于使用者操作使用的武器不可能获得良好的实用性能。而欠缺技能精湛、经验丰富、理论水平优秀的使用者对项目论证、研制、改进过程进行准确的指引,一个国家就算拥有合格的工业科研能力也造不出性能优良的武器系统。

纵观历史,我国曾经长期被武器与人的两元对立论调所毒害。可喜的是,在歼-10的发展过程中,这种趋势得到了明显的扭转;我们完全有理由相信,歼-20将会在武器与人的结合上达到一个全新的高度。从歼10推测歼20抗过载设计:歼10飞行员曾肺萎缩 - 卡森 - 卡森的博客

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