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冷狗(候知健)的博客

没有追逐知识和自由思想的欲望,人和畜生也就没有了本质的区别

 
 
 

日志

 
 

向15秒极限冲刺——歼10的抗过载发展  

2014-08-23 13:12:30|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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引语:

 

10在定型时,它允许9G飞行过载的10秒最大持续时间只有F162/3,在三代机中只能算是二流水平;而直到数年之后,才通过相关设备、配套训练体系的改进达到15秒的西方主流水平。


 (所有数据均来自公开论文、专著明确指出的型号、性能指标)

 

一.战斗机飞行员基础过载能力仅耐受10秒钟4.25g过载,赵伟飞9G依靠3秒安全规律


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 图:失去意识的战斗机体验者

 

对于任何一款三代机来说,强大动力的最大意义都是体现在加速和爬升能力上——尤其是外挂的武器弹药、燃油大幅加大了重量与阻力之后。限制新型战斗机较长时间发挥极限飞行性能的最大瓶颈,早已转移到飞行员对于过载的忍耐能力上。当驾驶者已经失去视力和意识,或者无力再继续进行高机动飞行的时候,飞机无论还有多少动力和机动性能剩余都已经毫无意义。

 

在飞行过程中,飞行员会承受多种方向上的过载。我们常常说的9G过载是通过升力产生,从机翼下方指向机翼上方的法向过载,又称为正过载,通常在飞机进行盘旋的时候出现;此时人体需要承担额外的重力,大小则取决于飞行动作的猛烈程度。类似的情况我们在日常生活中也可以遇到,比如电梯启动、加速上升时可以体验到身体有加重的感觉,当然在程度上是远远无法与战斗机极限过载相提并论的。

 

当正过载达到9G时,飞行员要承受自身(包括服装、头盔等物品)9倍的重量。这个过程中飞行员体内的血液会在重力下向腹部、腿脚移动,而一旦眼睛和大脑得不到充足的血液,那么很快就会出现因为缺氧而引起视力丧失,继而失去意识。

 

由于人体的眼睛和大脑分别有3秒、10~12秒左右的氧气储备,飞行员一般不会在3秒之内就出现视觉丧失的情况。2014年安阳航展上,中国红牛特技飞行队队长赵伟驾驶XA42表演机做9G飞行只持续3秒左右也正是这个原因,如果想进一步延长大过载时间,抗荷服、加压氧气面罩等都是必不可少的装备。

 

特别值得一提的是,3秒规律并不代表绝对安全。一旦进入极限过载的过程太过于剧烈,飞行员身体和心理上都缺乏准备和主动适应的过程,同样会在瞬间丧失视力甚至意识。几年前中央电视台曾经公开报道过一次歼11BS由于电传飞控故障引起的飞行事故,飞机突然进行了剧烈的俯仰摆动,最大过载达到9.36G,猝不及防的飞行员瞬间就进入了灰视状态。


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 图:飞行员讲述事故经历

 

灰视状态代表着飞行员已经开始看不清东西,四周的视野已经开始逐步丧失。它不仅是飞行员抗过载耐力达到终点的标志,也是飞行员即将完全失去视觉(黑视)和意识的前兆。如果俯仰失控的程度更剧烈、持续时间更长一些,那么就很可能导致飞行员来不及与后方留下任何通讯就陷入昏迷,任由失控的飞机坠机或者空中解体,事故的真相也会难以查明。


而超过3秒以后还能不能维持住视觉和意识,这取决于一个人的心脏能不能在高重力条件下有效的把血液泵送进眼球和大脑。这种“基础抗荷能力”与身体条件、尤其是先天遗传因素有非常大的关系:比如它基本上与血压(心水平收缩压)成正比,与眼睛到心脏的距离成反比,因此基础血压偏低的人、个子太高的人,都注定无法成为合格的战斗机飞行员。当然,这也绝不意味着高血压的人就适合开飞机。


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图:通过旋转形成过载的离心机,受试者耐力丧失以后,红圈内面板上的灯具会以四周到中央的顺序从视野中消失

 

在今天看来战斗机飞9G过载是一件很平常的事情,实际上这是人类花费了大量时间、金钱、人力、乃至于生命才换回的突破。从一般的统计规律看,战斗机飞行员如果没有装备的辅助,不使用特殊的动作技巧进行对抗;他们对于正过载的基础抗荷能力不到9G的一半,平均水平在4.25G(持续10秒)左右——即便美国也不例外。

 

从基础耐力的角度来说,4.25G同时也是三代机飞行员选拔的标准之一,5G已经是试飞员等精英飞行员的平均水平了,能够达到5.25G以上的人只是少数。还有极个别人可以达到7G标准,这属于爹妈从遗传基因层面带来的天赋压制,他人可羡而不可求。

 

二.歼10过载标准源于F16

 

早期的螺旋桨飞机虽然飞行速度低,但是由于飞行高度也低——这意味着空气密度很高,它们仍然可以获得足够的升力来完成较大的过载;不过8G左右的最大过载只能在瞬间出现,多数情况下都只能持续十几秒的4-6G过载。这种过载强度基本延续到了第一代和第二代喷气式战斗机上,不过它们的飞行速度、高度更大,过载的持续时间也更长。比如F4战斗机的典型空战动作过载曲线中,4-6g过载时间超过60秒以上,其中5G以上过载时间接近30秒。


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 图:F16的大后倾座椅

 

由于早期火控与武器系统的性能落后,飞行员要驾驶战斗机开火的操作步骤相当繁杂;不仅反应慢,而且机炮、导弹的命中率也很低。这都意味着一方在短时间内态势占优也往往难以进行有效攻击,空战中会出现大量中低空亚声速下近距离内进行反复的追逐、缠斗、咬尾的情况。而由于当时战斗机飞行性能以及抗过载技术的发展水平限制,这就代表战斗机必须进行大量4-6G过载强度的持续机动。

 

F15就是针对这一点设计的,相较于F45G过载持续时间不到30秒来说,F155G过载持续时间达到100秒而且反复出现;虽然其最大可用过载7.33g,但实际使用中瞬间飞行过载频繁超过9GF15过于保守的过载指标明显限制了飞行性能的发挥,这种矛盾折射了它设计思想的时代局限性——更直接的说,F15过载设计仍然遵循的是二代机标准。

 

按照航空加速度生理学对人体的定义,6G过载持续15秒时间以上就属于持续性高过载——在这个区间,飞行员丧失意识的几率和速度都极大幅度的提高了。这也是二代机与三代机设计中的一个核心区别:新一代飞机的持续机动过载从4-6G为主,瞬间过载8G左右;提升到持续机动过载6-9G为主,瞬间过载超过10G的水平。

 

真正把战斗机机动能力带入持续性高过载时代的型号正是F16,自它以后,战斗机的过载能力必须达到6G过载持续45秒、9G过载持续15秒的水平才能在三代中算得上是一流。F16性能突破的先决条件除了飞机自身的飞行性能大幅提高外,还要归功于美国上世纪60年代抗过载研究成果开始从实验室向实际型号研制转移;在抗过载座舱、新型抗荷服、代偿背心、抗荷加压呼吸、新型抗荷动作等一系列技术措施投入使用以后,飞行员才能承受长时间的高过载飞行。


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图:高抬腿设计使F16的仪表台尺寸在三代机中严重偏小

 

比如F16在座舱的抗过载设计上就实现了巨大突破:它采用了后倾角度很大达到30度的座椅,它使飞行员形成背部斜躺而腿脚弯曲抬高的姿势;由于战斗机高过载飞行都会有15度以上的抬头角度(迎角),因此接近9G时飞行员后倾实际上达到45度。30度后倾座椅后来延续到了F22上。

 

飞行员在半躺以后,过载增长速度的大小对人体的影响会变弱,人体有了更多的时间对高重力反应进行适应和代偿——这是个很简单的三角函数结果。其次是心脏到屁股和脚的高度差明显缩短了,有效的减轻血液向腿脚坠积的趋势,延长了飞行员维持视力和意识的时间;心脏和眼睛之间高度差的缩短在这个角度范围内反倒影响并不大。

 

后来的三代机绝大多数都遵循了F16的过载指标。即使是高过载机动的持续时间上有所缩短,或是未必采用相同的大后倾座椅、高抬腿设计;但9G最大可用过载已是公认标准,而座舱抗过载设计也是依照相同的基本原理展开。歼10就是一种典型的9G最大过载战斗机,在过载指标上它如今已经达到了F16的指标;但是其间的过程并不顺利,在设计上也留有一些遗憾。

 

三.10抗过载能力组成揭秘

 

战斗机的抗过载研究成果颇为类似游戏中的属性点和装备加成。三代机飞行员的基础抗荷耐力算是游戏角色的基本天赋属性,一般以4.25G计算。抗荷服通过压紧大腿和腹部,可以有效减缓高过载下心脑循环中的血液流失,高性能型号可以提供2.5G甚至更高的抗荷效果。这两个效果要发挥对飞行员的体力消耗都不算很大,疲劳值较低,可以视作被动系的属性和装备效果。


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图:歼10的座舱抗过载设计优于苏27

 

飞行员在抵抗高过载时,需要针对性的做出收紧全身肌肉的抗荷动作,可以达到1~2G的抗荷效果。通过呼吸面罩强行把大流量的氧气压入肺部,使飞行员血液含氧量大幅升高,也可以提供1.5~1.7G甚至更高的抗荷效果。但是抗荷动作和加压呼吸对飞行员的体力消耗很大,疲劳值相当高,是使用次数和时间都有限制的主动系技能和装备。

 

10完成9G过载飞行,依靠的正是上述几种措施的综合应用。而直到近年才达到F16过载水平的关键原因之一,就是从基础的座舱抗过载设计上歼10就存在一定的差距;这使它必须在抗荷服等其它设备上获得更好的性能才能弥补劣势。

 

F16的大后倾座椅对驾驶姿态和操作习惯改变非常大,飞行员难以正常使用设置在座舱中央的驾驶杆,而必须使用侧置的驾驶杆。由于和传统设计相差太大,我国军队对这种座舱布局一直抱有偏见,直到21世纪初空军航空医学研究所还有针对30度后倾座椅会不会针对记忆、辨识反应速度等认知能力形成负面影响的定性研究。在上世纪80年代,30度大后倾座椅在歼10论证过程中不可能被军方接受也就容易理解了。

 

此外F16的高抬腿设计也难以在歼10上复制,它对驾驶舱仪表台尺寸的限制很大。F16最初项目定位较低,只承担简单的昼间近距离格斗任务,机载设备较为简单;因此在取舍上偏重抗过载能力而牺牲了一部分仪表台安装面积,F22就没有继承F16的高抬腿设计。初始定位就带有完整中距空战能力、搭载繁多机载设备的歼10对仪表台的安装面积要求要高的多——尤其是我国当时的航空电子水平有限,实现同样功能需要更大的设备体积和尺寸。

 

因为上述原因,虽然歼10项目从预研起就把座舱抗过载设计作为重点之一,尽可能优化了飞行员的驾驶姿态,但终归未能突破传统座舱布局的限制;这使它的最终效果虽然明显优于苏27,但和F16相比还是有所不如。同时歼10定型时配备的KH5抗荷服和KT8抗荷调压器(调节氧气面具和抗荷服的压力和流量变化)性能并不出彩,防护能力较低,使歼10定型时只能达到6G持续30秒、9G持续10秒的水平。

 

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 图:特级飞行员严峰下飞机后脱掉抗荷服,不通风的抗荷服非常闷热

 

KH5抗荷服采用的仍然是侧管结构,这出于长期使用仿制苏联早期产品形成的技术路径依赖。侧管式防护服是美国在上世纪40年代开发的,它在服装的躯干与肢体四周设置了充气软管,软管外面缠绕张紧带。一旦管子开始充气,张紧带就会收紧防护服布料,均匀勒压人体表面,提供外来压力。

 

西方三代机乃至于苏联后来开发的苏27上,普遍使用的都是气囊式抗荷服,它通过气囊充气后的膨胀来直接挤压人体,施加体表压力。这种抗荷服有个极大的坏处,就是气囊本身不透气又要大面积覆盖人体,散热能力非常差;因此直到后来飞机的环控设备大幅度进步,可以为对防护服装内进行大流量的强制通风以后,它才得以广泛应用。而现代高性能战斗机之所以百分百配备气囊式抗荷服,则是因为它在减轻飞行员高过载下的加压呼吸疲劳方面具备压倒性的优势。


而现代高性能战斗机之所以百分百配备气囊式抗荷服,则是因为它在减轻飞行员疲劳程度方面具备压倒性的优势。飞行员加压呼吸的氧气往往要先进入防护服的充气管或者是气囊内,为防护服装提供压力。在气囊式防护服装中,飞行员吸气使胸腔扩张时,胸腹外部气囊的压力自然降低;而呼气使胸腔收缩时,胸腹外部气囊的压力自然增高。

 

这种胸腹外部压力变化的协调性,极大的减轻了飞行员进行加压呼吸时的胸腹肌肉疲劳程度。飞行员穿侧管式防护服时进行加压呼吸维持几分钟、十几分钟就会严重疲劳;而气囊式防护服不仅可以使飞行员耐受一个小时以上的加压呼吸,而且可以采用更高的呼吸压力、更大的氧气流量。

 

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 图:气囊式结构的KH7抗荷裤


事实上歼10近年抗过载能力突破的关键之一,正是一套全新的综合囊式抗荷系统;它最晚在2002~2004年期间,就由空军航空医学研究所等相关机构在实验室离心机试验中达成了主要性能指标的突破。新型综合抗荷系统通过KH7气囊式抗荷服与KT9抗荷调压器(增大了加压呼吸时的压力与氧气流量)组合提供了额外的4G防护能力,其中仅KH7抗荷服的防护能力就提升了0.5G

 

现阶段歼10的抗过载能力组成如下:在抗过载座舱的基础上,三代机飞行员不低于4.25G的基础抗荷能力 囊式综合抗荷系统不低于4G的防护能力 +  不低于2G的抗荷动作效果,实现了6.5G过载持续45秒、9G过载持续15秒的三代主流水平。

 

 

四.自主研发新型抗荷动作,反应我军训练水平奋起直追

   

在基本的飞行天赋属性上,黄种人和白种人并没有种族上的先天差别,不存在白人就是比中国人强的情况。仅仅从剧烈运动下的空间平衡感、方向感和肢体协调能力来说,中国运动员在各类体操运动中从来就没少拿过世界冠军。但天赋之外的技能与装备加成,却也正是我国飞行员与西方水平差距最大的地方,尤其是这两者之间本身就存在着互相限制和互相促进的关系。

 

我国战斗机抗过载发展历史中,部队训练水平落后导致高过载飞行经验不足,训练部门对缺乏对人体生理需求的把握导致理论认识水平低下和观念守旧,在很长时间内都是一种常态。这不仅是阻碍个人防护装备发展的最大瓶颈,也是阻碍科学训练手段形成、普及、进化,提升实际战斗力水平的最大阻力所在。

 

2004年曾有空军部队对战斗机飞行员(包括三代机飞行员)进行抗过载知识和技能的摸底调查,结果没有人能说全各种抗荷动作的种类、名称、动作要领;只有28%的人接受过规范的抗荷动作训练,而且全部是改装新型战斗机体检时在空军航空医学研究所内进行的。97.4%的人对抗荷能力的理解只停留在几个G上,不知道还抗荷能力还包括抵抗G增长速率的大小与过载保持时间的长短。

 

这些飞行员在航校接触特技飞行时,没有一个教员传授过抗荷动作的原理和规范的抗荷动作,都是弯腰、鼓肚子、憋气。这种动作应对短时间的中低过载还可以,一旦碰上6G以上的高过载,尤其是持续过载,就会演变成飞行中最忌讳的瓦氏动作(Valsalva),会在更短的时间内因为缺氧而引起黑视、意识丧失。


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 图:我军新型抗荷动作训练器

 

伴随着我国空军在训练水平上的奋起直追,这些历史的欠账正被一一弥补;新型的科学训练内容、器材正在不断的填充向各支部队和训练院校。而近年开始普及的HPPHP抗荷动作及其配套的抗荷动作训练器,正是空军战斗力建设正规化、现代化过程中的重要一环。

 

HPPHP抗荷动作作为我国自主研究出来的新时期技术成果,最高可以达到2G以上的抗荷效果和西方现在通用的L-1M-1等抗荷动作相比并不逊色。除了性能指标令人满意外,它还有着特别适合于我国国情的优势:技术难度低、体力消耗少;与日常体能锻炼结合紧密,有效矫正我军传统飞行员体能训练的错误倾向。

 

现代飞行员做抗荷动作的核心意图有两个,除了收紧肌肉压迫血管,阻止血液流向腹部和腿脚的传统功效外;还必须有力的控制自己的呼吸频率、深浅,以配合加压呼吸面具把氧气压入肺部的动作。飞行员在大过载下的呼吸技巧极其重要,不仅换气太慢、呼吸太浅、憋气太久会导致氧气摄入不足,引起黑视和晕厥,呼吸过度一样会导致黑视晕厥。

 

L-1等西方抗荷动作在我国的使用过程中,被证明抗荷效果确实很好;但是诸如在1秒钟以内完成标准的吸气、换气动作和全身肌肉协调收紧的要求,其技巧性和力量性要求都显得过于苛刻;不仅很多飞行员难于掌握,而且实际使用中体力消耗太快,反而不利于耐力的持久性。而HPPHP抗荷动作的特点是依靠用力慢呼气来控制呼吸速度,根据不同过载强度适当用力收缩肌肉;这既使飞行员获得更多的反应时间,又能更灵活的分配体力消耗,目前HPPHP动作已广泛应用于地面训练。

 

尤其在HPPHP动作在训练过程中,腿腹部的核心肌肉群发力过程与杠铃负重深蹲等无氧器械锻炼高度一致,这将促使飞行员进行更多的力量锻炼。以前飞行员的体能训练常常继承陆军风格,以长跑这类器材场地要求低、教练监护人员水平和数量要求低的耐力训练为主,认为能跑的久跑得远就是身体素质出色。

 

实际上过度的耐力训练会使人体心脏的自律细胞和传导组织被迷走神经活动所抑制,严重破坏人体在高过载条件下的血压代偿性调节能力,导致飞行员更容易黑视和晕厥。1998年的一份医学案例就属于这种情况,某位有着1000飞行小时资历的战斗机副大队长在改装新飞机时空中晕厥;离心机检查结果是他在3.25G过载下都只能在安全3秒内不黑视。在新训练体系越来越科学化的今天,这种反面事例必将不会重现。

 

结语:

  

  事实上越是先进的装备,对人的素质要求也就越高;对于战斗机这样只有在人体生理极限条件下才能完整发挥作战效能的武器,尤其如此。歼10极限过载能力的突破,反应的正是装备性能与人员素质的同步提升,是我国空军走向强大的重要标志。

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