12bet电脑版|没了战斗机的飞行员怎么飞?脑洞大开的弹射座椅设计

时间:2020-01-11 15:20:44

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“为了提高飞行员在战区获得安全救援的几率,武装部队正在研究先进逃生和救援概念,这将赋予飞行员在弹射逃生后进行独立飞行的能力,从而降低被抓获的风险……”

——卡曼飞机公司文档,1972年

在通知了长机后,飞行员弃机弹射。他拉出座椅手柄启动弹射序列,先是座舱盖被从瘫痪的喷气机上抛离,然后弹射座椅在火箭发动机的推动下脱离飞机。飞行员在翻滚中与座椅分离,降落伞张开了,飞行员挂在伞绳下方慢慢飘落。这里是北越控制区,下方丛林危机四伏。落地后,北越军队可能赶在美国空军搜救直升机到来前抓获这名飞行员。

座椅在弹射后独立飞行该有多好?这样飞行员就能操纵座椅向远离敌占区的方向飞行,尽量接近地面友军,大大提高搜救成功率。

卡曼的saver飞行弹射座椅概念

为啥不搞一个飞行座椅?

到20世纪60年代末,已无法忍受飞行员持续损失的美国空军和海军开始联合研究飞行弹射座椅的可行性,然后在初步研究的成果上在1967年底正式启动了机组人员逃生/救援能力(aercab)项目。项目的主要目标就是为弹射座椅增加自主可控的飞行能力,让飞行员在弹射后能够继续飞行以避开敌人抓捕,同时能给搜救小队留出更多救援时间,指挥飞行员飞向安全的救援地点。对于在海面上弹射的海军飞行员来说,他可以驾驶座椅接近救援船只。

美国空军俄亥俄州莱特-帕特森空军基地的飞行动力实验室在1974年发表了一份关于aercab座椅的报告,这样写道:

“飞行弹射座椅能使飞行员在弹射后获得一个辅助飞行器继续飞行,他能驾驶弹射座椅以一定速度进行短距飞行,避开敌占区飞向预定安全救援地点,同时也使搜救小队面对的危险降到最低。”

报告评价aercab座椅是“空中逃生领域的新高度,代表着‘飞机内的飞机’下一代逃生系统。”

军方为aercab座椅规定了如下要求:

座椅具备可展开的升力翼面和推进系统

巡航高度足以避开轻武器

不降低现有座椅的救生能力/包线

翼面展开和飞行转换必须全自动进行

系统必须能在恶劣天气下操作

适用于沃特a-7“海盗”和麦道f-4“鬼怪”飞机的改装

三家公司回应了招标,分别是康涅狄格州布卢姆菲尔德的卡曼飞机公司,加州曼哈顿海滩费尔柴尔德公司的斯特拉托斯分部,以及纽约州水牛城的贝尔航空系统公司。三家公司都获得了一份研制合同,其中贝尔受美国空军飞行动力实验室的领导,卡曼和费尔柴尔德则受到宾夕法尼亚州温斯特斯特斯的海军航空发展中心(nadc)的指挥。

三家公司开始各自的研制工作,每家公司的设计都各有特色。aercab座椅的要求很苛刻,设计除了满足上述关键要求外,军方还规定如果飞行员明确知道自己在友军占领区上空弹射,则可以选择标准的伞降方式,也就是说虽然aercab座椅是全自动操作的,但必须具有飞行员超控模式。座椅的自动系统必须确保受伤或意识模糊的飞行员也能操纵座椅按照预定航向和高度飞行。军方还规定座椅能持续飞行30分钟,之后飞行员在60米高度与座椅分离伞降。两家公司的设计甚至能载着飞行员直接降落地面。

座椅上还必须具有气压传感器,确保系统在低于3050米高度时才会展开,否则飞行员就会暴露在缺氧环境下,过快消耗氧气储备。座位的飞行速度至少要达到100节(185公里/小时),爬升速度305米/分,航程大约80公里,座椅中还要容纳有生存设备和信标。

军方为aercab项目制定了苛刻的性能要求

卡曼的设计

卡曼的设计名叫saver(“可收纳飞行员逃生旋翼座椅”的缩写),由理查德·荷洛克和贾斯汀·巴兹达领衔设计,他俩分别是卡曼公司的研究项目工程师和系统研究主任。saver展开后就是一架紧凑的旋翼机,有一副无动力旋翼,旋翼可折叠起来使座椅塞入a-7“海盗”和f-4“鬼怪”的座舱,甚至是格鲁曼f-14“雄猫”。

saver的主要组件包括弹射座椅、升力系统(旋翼)、涡扇推进单元及相关子系统。saver收纳时的尺寸是0.56×0.95×1.37米,空重约130千克,包括飞行员、动力装置和燃料在内的总重约为270千克。

saver的收纳与展开形态

卡曼飞行座椅的动力装置是一台威廉姆斯wr-19涡扇,海平面推力190千克,燃料是jp5。发动机安装在座椅背面,生产型将换装推力更大的直径为200毫米的型号。发动机和旋翼叶片都收纳在座椅后方两根弹射滑轨和火箭推进器之间。旋翼系统通过座椅顶部的一个a形支架与座椅结构连接,座板下方是密封防爆燃料电池。

卡曼的设计最高速度185公里/小时(900米高度),续航时间30分钟,耗油率0.3千克/小时,爬升率300米/分,完全满足aercab要求。座椅的滑翔比为3:1,最小弹射高度300米,无动力自旋下降最小安全高度250米。

弹射时,座椅先以常规弹射序列与飞机分离,然后释放一个漏斗形减速伞,减速伞充气膨胀后,其系绳会顺气流方向把旋翼叶片向后上方拉出,同时也使座椅稳定在接近向上平躺的姿态。然后旋翼头卡钳和叶片尖端束线被爆破索切断,叶片在铰链弹簧的作用下展开同时旋转起来,把外侧叶片甩出去。旋翼的转速由锥面锥度控制,如果旋翼超速,锥度就会变小,叶片和挥舞铰间的锥度差导致叶片桨距增大,从而降低旋转速度。反之,桨距就会减小,转速也就随之增加。

旋翼展开后,减速伞和系绳就被抛弃,挥舞铰上的锥面约束装置也随之断开,让旋翼加速旋转在锥度较小的平衡飞行锥面,此时旋翼的转速由自动飞行控制系统控制。随着座椅姿态在下降中接近垂直,收纳起来的发动机、双尾撑尾翼就会从椅背旋转展开到飞行位置,弹射座椅变成了一个动力旋翼机。

saver耗尽燃料后,座椅会自动与飞行员分开,让他伞降着陆,当然飞行员也可以驾驶座椅直接降落。整个过程都是自动进行的,飞行员要做的只是拉下面帘启动弹射。

saver座椅的弹射与展开序列

测试saver

1970年9月,卡曼公司在加州墨菲特机场nasa埃姆斯研究中心12×24米风洞中对saver系统进行测试,以验证其技术可行性。一个全尺寸saver初步设计模型被折叠成收纳外形,在风洞中测试了从展开到过渡到飞行模式的全过程。

风洞测试成功验证了saver座椅能在最高335公里/小时的速度下进行减速并拉出旋翼叶片,在最高295公里/小时的速度下展开旋翼、开始旋转并调整座椅姿态,在最高200公里/小时的速度下展开到旋翼机形态,并进入飞行模式。风洞测试发现旋翼能够提供315千克升力,比预计高出约14%。

风洞测试成功后,这个设计模型开始载人飞行试验,加装了钢管焊接的前三点式起落架、大尺寸方向舵(用于增强低速试飞的操控性)、推进系统、操纵装置和基本仪表。

装上了起落架开始载人试飞的saver

由于整体重量增加到322千克,所以saver座椅在初始试飞中使用了4.9米直径的大旋翼。1971年12月19日,卡曼公司首席试验飞行员安德鲁·福斯特驾驶saver完成了首次旋翼机飞行。1972年1月10日,福斯特驾驶安装了4.3米直径旋翼的座椅再次升空。saver不仅成为第一架涡扇动力的旋翼机,还成为第一架具有伸缩叶片的旋翼机。在一次试飞中,saver在wr-19发动机一半可用推力的推进下滑跑了2740米,以100公里/小时的速度、900转/分的旋翼转速升空。

驾驶saver的安德鲁·福斯特

费尔柴尔德的设计

翼展4.88米的帆翼折叠收起在座椅两侧,内翼段前缘是一根管状翼梁,机翼完全展开后就被锁定就位,后缘张紧索会绷紧翼面的确良织物。

model 616的飞行模式

由于配备了起落架,飞行员可以直接驾驶model 616降落

飞行器的“机鼻”是一个可充气管状框架,在收纳状态时存放在飞行员的脚后方。弹射后,座椅的压缩气罐向这个橡胶布制作的机鼻充气,使其展开罩住飞行员双腿。气罐同时也会向机翼气囊充气,飞行员使用座椅地板伸出的操纵杆控制气囊使机翼发生扭曲,操纵飞机进行俯仰和滚转。发动机通过铰链支架连接到座椅底部边缘,推力由座椅扶手上的油门控制。

进行风洞测试的model 616

贝尔的设计

贝尔的设计可以说是三个aercab设计中最简单的,这是一种涡扇动力的伞翼设计,在1969年中期获得了美国空军的合同。该系统包括一个改进的喷射座椅、安装在座椅背部的大陆涡扇发动机,以及刚性双叶罗加洛式伞翼。

弹射后,座椅释放出一个减速伞并触发致动器,抛掉座椅背壳,让v形伞翼伸出并展开到2.1米长,3.95米宽。机翼每侧有分成两部分的三根龙骨条,收纳时一根被塞入另一根内。展开时机翼吊杆也随之伸展把伞翼伸入气流中。

贝尔弹射座椅的展开顺序

与另外两种设计飞行员以坐姿驾驶弹射座椅完全相反,在贝尔弹射座椅上,飞行员被绑在座位上,面朝下悬挂着,通过扶手上的操纵杆控制机翼和发动机进行飞行。很难说美国空军的飞行员们是否会接受这个难受的姿势。

贝尔的早期设计,相当简单的结构

贝尔设计夸张的飞行姿态,这是后期设计,增加了整流气囊

然后就没有然后了

只有卡曼的saver进行了实际试飞,其他两家公司的设计则从来没有离开过地面。美国空军飞行动力实验室在1974年7月发布的一份报告解释了其中的原因,“为了满足aercab的既定性能目标,现有设计都需要进行重大改进,会导致收纳体积的增大,这会导致对f-4和a-7的座舱进行重大修改。总之,现有设计的性能与期望值之间相距甚远。”

实验室关于aercap的最后一段文字描述有些模糊不清:

“aercab概念代表着一种非常规弹射、逃生和救援战术,能提供一种从逃脱受损飞机到逃离弹射现场的一种手段,这点是可取的。”

“但是,实现这个概念需要复杂的工程设计,并对现有救援战术进行重大改变。只有在与传统救援战术进行全面对比后才能更好地评价aercab的优缺点。”

美越双方在1973年达成停火协议后,越南释放了大批美军战俘,美国空军和海军对aercab概念的需求也不是那么迫切了,最后该项目无疾而终。

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