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沒了戰鬥機的飛行員怎麼飛?腦洞大開的彈射座椅設計

引子


「為了提高飛行員在戰區獲得安全救援的幾率,武裝部隊正在研究先進逃生和救援概念,這將賦予飛行員在彈射逃生後進行獨立飛行的能力,從而降低被抓獲的風險……」


——卡曼飛機公司文檔,1972年

在20世紀80年代末的越南天空,下面這個場景已變得越來越司空見慣:一架美國攻擊機的飛行員正向下方几百米處茂密叢林中看不見的地面目標傾瀉火箭彈,突然他感覺到劇烈的震動,儀錶板像聖誕樹一樣閃爍了起來,燃料壓力如隕石般飛快下降,尾噴管噴出濃濃的煙霧。飛行員必須在瞬間做出決定,能堅持到海岸嗎?不太可能。 能操縱這架尖叫的金屬怪物安全迫降嗎?不可能。那麼就剩下一個選擇了。


在通知了長機後,飛行員棄機彈射。他拉出座椅手柄啟動彈射序列,先是座艙蓋被從癱瘓的噴氣機上拋離,然後彈射座椅在火箭發動機的推動下脫離飛機。飛行員在翻滾中與座椅分離,降落傘張開了,飛行員掛在傘繩下方慢慢飄落。這裡是北越控制區,下方叢林危機四伏。落地後,北越軍隊可能趕在美國空軍搜救直升機到來前抓獲這名飛行員。


座椅在彈射後獨立飛行該有多好?這樣飛行員就能操縱座椅向遠離敵占區的方向飛行,盡量接近地面友軍,大大提高搜救成功率。



沒了戰鬥機的飛行員怎麼飛?腦洞大開的彈射座椅設計


卡曼的SAVER飛行彈射座椅概念


為啥不搞一個飛行座椅?


到20世紀60年代末,已無法忍受飛行員持續損失的美國空軍和海軍開始聯合研究飛行彈射座椅的可行性,然後在初步演技的成果上在1967年底正式啟動了機組人員逃生/救援能力(AERCAB)項目。項目的主要目標就是為彈射座椅增加自主可控的飛行能力,讓飛行員在彈射後能夠繼續飛行以避開敵人抓捕,同時能給搜救小隊留出更多救援時間,指揮飛行員飛向安全的救援地點。對於在海面上彈射的海軍飛行員來說,他可以駕駛座椅接近救援船隻。


美國空軍俄亥俄州萊特-帕特森空軍基地的飛行動力實驗室在1974年發表了一份關於AERCAB座椅的報告,這樣寫道:

「飛行彈射座椅能使飛行員在彈射後獲得一個輔助飛行器繼續飛行,他能駕駛彈射座椅以一定速度進行短距飛行,避開敵占區飛向預定安全救援地點,同時也使搜救小隊面對的危險降到最低。」


報告評價AERCAB座椅是「空中逃生領域的新高度,代表著『飛機內的飛機』下一代逃生系統。」


軍方為AERCAB座椅規定了如下要求:


座椅具備可展開的升力翼面和推進系統


巡航高度足以避開輕武器

不降低現有座椅的救生能力/包線


翼面展開和飛行轉換必須全自動進行


系統必須能在惡劣天氣下操作


適用於沃特A-7「海盜」和麥道F-4「鬼怪」飛機的改裝

三家公司回應了招標,分別是康涅狄格州布盧姆菲爾德的卡曼飛機公司,加州曼哈頓海灘費爾柴爾德公司的斯特拉托斯分部,以及紐約州水牛城的貝爾航空系統公司。三家公司都獲得了一份研製合同,其中貝爾受美國空軍飛行動力實驗室的領導,卡曼和費爾柴爾德則受到賓夕法尼亞州溫斯特斯特斯的海軍航空發展中心(NADC)的指揮。


三家公司開始各自的研製工作,每家公司的設計都各有特色。AERCAB座椅的要求很苛刻,設計除了滿足上述關鍵要求外,軍方還規定如果飛行員明確知道自己在友軍佔領區上空彈射,則可以選擇標準的傘降方式,也就是說雖然AERCAB座椅是全自動操作的,但必須具有飛行員超控模式。座椅的自動系統必須確保受傷或意識模糊的飛行員也能操縱座椅按照預定航向和高度飛行。軍方還規定座椅能持續飛行30分鐘,之後飛行員在60米高度與座椅分離傘降。兩家公司的設計甚至能載著飛行員直接降落地面。


座椅上還必須具有氣壓感測器,確保系統在低於3050米高度時才會展開,否則飛行員就會暴露在缺氧環境下,過快消耗氧氣儲備。座位的飛行速度至少要達到100節(185公里/小時),爬升速度305米/分,航程大約80公里,座椅中還要容納有生存設備和信標。



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軍方為AERCAB項目制定了苛刻的性能要求


卡曼的設計


卡曼的設計名叫SAVER(「可收納飛行員逃生旋翼座椅」的縮寫),由理查德·荷洛克和賈斯汀·巴茲達領銜設計,他倆分別是卡曼公司的研究項目工程師和系統研究主任。SAVER展開後就是一架緊湊的旋翼機,有一副無動力旋翼,旋翼可摺疊起來使座椅塞入A-7「海盜」和F-4「鬼怪」的座艙,甚至是格魯曼F-14「雄貓」。


SAVER的主要組件包括彈射座椅、升力系統(旋翼)、渦扇推進單元及相關子系統。SAVER收納時的尺寸是0.56×0.95×1.37米,空重約130千克,包括飛行員、動力裝置和燃料在內的總重約為270千克。


旋翼系統具有兩段伸縮式雙葉片,安裝在蹺蹺板式揮舞鉸上,鉸鏈不僅能使旋翼在飛行中呈錐面,還能讓葉片向上摺疊90度收納起來。鋁合金葉片使用環氧樹脂粘合而成,旋翼摺疊時的長度為1.2米,展開但不伸展時的直徑是2.4米,完全伸展後的直徑是4.25米。葉片內側翼型是NACA 0015,弦長200毫米,外側翼型是NACA 0012,弦長180毫米。葉片內外兩段的前緣梁和後緣構件互相交錯,使外側葉片伸縮自如。



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SAVER的收納與展開形態


卡曼飛行座椅的動力裝置是一台威廉姆斯WR-19渦扇,海平面推力190千克,燃料是JP5。發動機安裝在座椅背面,生產型將換裝推力更大的直徑為200毫米的型號。發動機和旋翼葉片都收納在座椅後方兩根彈射滑軌和火箭推進器之間。旋翼系統通過座椅頂部的一個A形支架與座椅結構連接,座板下方是密封防爆燃料電池。


卡曼的設計最高速度185公里/小時(900米高度),續航時間30分鐘,耗油率0.3千克/小時,爬升率300米/分,完全滿足AERCAB要求。座椅的滑翔比為3:1,最小彈射高度300米,無動力自旋下降最小安全高度250米。


彈射時,座椅先以常規彈射序列與飛機分離,然後釋放一個漏斗形減速傘,減速傘充氣膨脹後,其繫繩會順氣流方向把旋翼葉片向後上方拉出,同時也使座椅穩定在接近向上平躺的姿態。然後旋翼頭卡鉗和葉片尖端束線被爆破索切斷,葉片在鉸鏈彈簧的作用下展開同時旋轉起來,把外側葉片甩出去。旋翼的轉速由錐面錐度控制,如果旋翼超速,錐度就會變小,葉片和揮舞鉸間的錐度差導致葉片槳距增大,從而降低旋轉速度。反之,槳距就會減小,轉速也就隨之增加。


旋翼展開後,減速傘和繫繩就被拋棄,揮舞鉸上的錐面約束裝置也隨之斷開,讓旋翼加速旋轉在錐度較小的平衡飛行錐面,此時旋翼的轉速由自動飛行控制系統控制。隨著座椅姿態在下降中接近垂直,收納起來的發動機、雙尾撐尾翼就會從椅背旋轉展開到飛行位置,彈射座椅變成了一個動力旋翼機。


SAVER耗盡燃料後,座椅會自動與飛行員分開,讓他傘降著陸,當然飛行員也可以駕駛座椅直接降落。整個過程都是自動進行的,飛行員要做的只是拉下面簾啟動彈射。



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SAVER座椅的彈射與展開序列


測試SAVER


1970年9月,卡曼公司在加州墨菲特機場NASA埃姆斯研究中心12×24米風洞中對SAVER系統進行測試,以驗證其技術可行性。一個全尺寸SAVER初步設計模型被摺疊成收納外形,在風洞中測試了從展開到過渡到飛行模式的全過程。


風洞測試成功驗證了SAVER座椅能在最高335公里/小時的速度下進行減速並拉出旋翼葉片,在最高295公里/小時的速度下展開旋翼、開始旋轉並調整座椅姿態,在最高200公里/小時的速度下展開到旋翼機形態,並進入飛行模式。風洞測試發現旋翼能夠提供315千克升力,比預計高出約14%。


風洞測試成功後,這個設計模型開始載人飛行試驗,加裝了鋼管焊接的前三點式起落架、大尺寸方向舵(用於增強低速試飛的操控性)、推進系統、操縱裝置和基本儀錶。



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裝上了起落架開始載人試飛的SAVER


由於整體重量增加到322千克,所以SAVER座椅在初始試飛中使用了4.9米直徑的大旋翼。1971年12月19日,卡曼公司首席試驗飛行員安德魯·福斯特駕駛SAVER完成了首次旋翼機飛行。1972年1月10日,福斯特駕駛安裝了4.3米直徑旋翼的座椅再次升空。SAVER不僅成為第一架渦扇動力的旋翼機,還成為第一架具有伸縮葉片的旋翼機。在一次試飛中,SAVER在WR-19發動機一半可用推力的推進下滑跑了2740米,以100公里/小時的速度、900轉/分的旋翼轉速升空。



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駕駛SAVER的安德魯·福斯特


費爾柴爾德的設計


費爾柴爾德公司的斯特拉托斯分部當時主要是一家航天器的閥門和調節器供應商,不知怎麼對AERCAB項目感了興趣。費爾柴爾德的設計編號Model 616,採用渦扇動力的帆翼構型(帆翼結構類似船帆,只有在一定氣動壓力下才會呈現出升力翼型)。


根據要求,Model 616從彈射座椅轉換成飛機的過程也是全自動的。費爾柴爾德設計了一個伸縮管狀機身,在漏斗形減速傘的拉動下在座椅後方伸展開,管狀結構最後一節容納有摺疊的垂尾和平尾。當最後一節全部伸出後,尾翼就在彈簧作用下張開並鎖定到位。


翼展4.88米的帆翼摺疊收起在座椅兩側,內翼段前緣是一根管狀翼梁,機翼完全展開後就被鎖定就位,後緣張緊索會繃緊翼面的確良織物。



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Model 616的飛行模式



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由於配備了起落架,飛行員可以直接駕駛Model 616降落


飛行器的「機鼻」是一個可充氣管狀框架,在收納狀態時存放在飛行員的腳後方。彈射後,座椅的壓縮氣罐向這個橡膠布製作的機鼻充氣,使其展開罩住飛行員雙腿。氣罐同時也會向機翼氣囊充氣,飛行員使用座椅地板伸出的操縱桿控制氣囊使機翼發生扭曲,操縱飛機進行俯仰和滾轉。發動機通過鉸鏈支架連接到座椅底部邊緣,推力由座椅扶手上的油門控制。


在從受損飛機中彈出後,座椅先釋放一個漏斗形減速傘進行減速並穩定姿態,速度降到275公里/小時後開始全自動展開,僅需6-10秒就能變成飛行形態。Model 616的無動力滑翔比達到了8:1,,空重138千克,總重270千克,長4.6米,尾翼翼展1.26米,總高度0.78米。


費爾柴爾德在1968年12月開始了Model 616的研製,1969年7月開始在弗吉尼亞州蘭利研究中心的NASA風洞中對各種機翼設計進行測試,但這一設計概念沒有被進一步發展下去。



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進行風洞測試的Model 616


貝爾的設計


貝爾的設計可以說是三個AERCAB設計中最簡單的,這是一種渦扇動力的傘翼設計,在1969年中期獲得了美國空軍的合同。該系統包括一個改進的噴射座椅、安裝在座椅背部的大陸渦扇發動機,以及剛性雙葉羅加洛式傘翼。


彈射後,座椅釋放出一個減速傘並觸發致動器,拋掉座椅背殼,讓V形傘翼伸出並展開到2.1米長,3.95米寬。機翼每側有分成兩部分的三根龍骨條,收納時一根被塞入另一根內。展開時機翼吊杆也隨之伸展把傘翼伸入氣流中。



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貝爾彈射座椅的展開順序


與另外兩種設計飛行員以坐姿駕駛彈射座椅完全相反,在貝爾彈射座椅上,飛行員被綁在座位上,面朝下懸掛著,通過扶手上的操縱桿控制機翼和發動機進行飛行。很難說美國空軍的飛行員們是否會接受這個難受的姿勢。



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貝爾的早期設計,相當簡單的結構



沒了戰鬥機的飛行員怎麼飛?腦洞大開的彈射座椅設計



貝爾設計誇張的飛行姿態,這是後期設計,增加了整流氣囊


然後就沒有然後了


只有卡曼的SAVER進行了實際試飛,其他兩家公司的設計則從來沒有離開過地面。美國空軍飛行動力實驗室在1974年7月發布的一份報告解釋了其中的原因,「為了滿足AERCAB的既定性能目標,現有設計都需要進行重大改進,會導致收納體積的增大,這會導致對F-4和A-7的座艙進行重大修改。總之,現有設計的性能與期望值之間相距甚遠。」


實驗室關於AERCAP的最後一段文字描述有些模糊不清:


「AERCAB概念代表著一種非常規彈射、逃生和救援戰術,能提供一種從逃脫受損飛機到逃離彈射現場的一種手段,這點是可取的。」


「但是,實現這個概念需要複雜的工程設計,並對現有救援戰術進行重大改變。只有在與傳統救援戰術進行全面對比後才能更好地評價AERCAB的優缺點。」


美越雙方在1973年達成停火協議後,越南釋放了大批美軍戰俘,美國空軍和海軍對AERCAB概念的需求也不是那麼迫切了,最後該項目無疾而終。


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