某型國產(chǎn)彈射救生裝備安全救生性能改進(jìn)設(shè)計(jì)

顧占波　張德軍

【摘 要】航空彈射救生裝備是飛行員應(yīng)急救生的唯一的方法和手段。針對國產(chǎn)某型彈射救生裝備不能實(shí)現(xiàn)無延遲彈射和“0-0”彈射救生問題，進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)和改進(jìn)，旨在使該型號設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)低空不利姿態(tài)下安全救生，保證飛行員安全離機(jī)。

【關(guān)鍵詞】微型爆破索；塑料導(dǎo)爆管；應(yīng)急彈射救生；彈射座椅

0 引言

航空彈射救生裝備是空勤人員生命保障系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。航空事業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是飛行員的應(yīng)急救生，對航空彈射救生裝備的要求越來越高，其中縮短彈射離機(jī)延遲時(shí)間是迫切需要解決的問題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1960年以來，飛機(jī)應(yīng)急情況下飛行員彈射死亡原因中，不利姿態(tài)下的低空彈射占47.5%，美國1967～1979年統(tǒng)計(jì)彈射死亡原因中低空占60%。由此可見縮短彈射離機(jī)延遲時(shí)間是解決救生問題尤其是低空救生問題的一條主渠道。

以高壓燃?xì)鈷伾w動(dòng)作筒為動(dòng)力裝置，高壓燃?xì)鉃槟茉吹膾伾w系統(tǒng)，因其在座艙蓋飛出前，座椅不得啟動(dòng)，這就延遲了0.5 s左右的彈射時(shí)機(jī)，降低了彈射成功率，尤其對低空救生不利。

穿蓋彈射可實(shí)現(xiàn)無延遲彈射。但進(jìn)行穿蓋彈射的條件是座艙蓋玻璃為非定向玻璃并且厚度在10 mm以下，否則將造成飛行員脊椎損傷，艙蓋玻璃裂口也極有可能損傷飛行員的裝備和身體。這就造成了穿蓋彈射的局限性。

塑料導(dǎo)爆管和飛機(jī)座艙蓋微型爆破索系統(tǒng)的發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了航空救生技術(shù)的另一種無延遲彈射，即在座椅啟動(dòng)彈射時(shí)，通過聯(lián)動(dòng)裝置啟動(dòng)塑料導(dǎo)爆管，再通過塑料導(dǎo)爆管的爆轟沖擊波來激發(fā)微型爆破索來爆破座艙蓋玻璃，清除彈射通道上的障礙物，實(shí)現(xiàn)座椅的無延遲彈射。英國的鷂式飛機(jī)和美國的F-16飛機(jī)都成功地采用了這兩種技術(shù)。

本文針對某型國產(chǎn)火箭彈射座椅的延遲特點(diǎn)，應(yīng)有這兩種技術(shù)做了一下探討，使該型座椅在不改變基本結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)無延時(shí)彈射和“0-0”（零高度-零速度）彈射救生。

1 某型國產(chǎn)火箭彈射座椅的工作過程及存在問題。

1.1 工作過程

應(yīng)急情況下，當(dāng)飛行員決定彈射離機(jī)時(shí)，雙手提拉中央主彈射拉環(huán)，經(jīng)1號傳動(dòng)鋼索傳動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作筒向下運(yùn)動(dòng)，通過2號傳動(dòng)鋼索先拉動(dòng)鋼索解脫器，帶動(dòng)3號拋蓋鋼索拉動(dòng)拋蓋燃爆器打火工作，拋掉座艙蓋，拉出空中保險(xiǎn)鋼球，解除彈射器的空中保險(xiǎn)。動(dòng)作筒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，拉桿帶動(dòng)彈射器5號鋼索，拉出撞針臂擊發(fā)椅彈，在火藥氣體作用下，彈射器帶動(dòng)人和座椅一起向上運(yùn)動(dòng)彈離座艙。

1.2 存在問題

該型火箭彈射座椅采取先拋蓋后彈射的工作程序，使得拋蓋前彈射器不能打火工作，產(chǎn)生了0.5s左右的彈射延遲時(shí)間，這對彈射前瞬息萬變的情況來說顯得太長，嚴(yán)重影響了設(shè)備的救生性能。當(dāng)飛機(jī)在起飛、著陸速度小于250km/h因故彈射跳傘時(shí)，使得該型座椅沒有達(dá)到世界先進(jìn)國家最起碼的“0-0”指標(biāo)要求。針對該型座椅在彈射離機(jī)時(shí)存在的問題，有必要對其進(jìn)行改進(jìn)，使其能達(dá)到無延遲彈射和“0-0”彈射救生。

2 裝備救生性能改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)的簡要介紹

針對該型彈射座椅拋蓋彈射的延遲時(shí)間長和不能實(shí)現(xiàn)“0-0”彈射的特點(diǎn)，做了一系列改進(jìn)。改進(jìn)的內(nèi)容有：

（1）在座艙蓋玻璃上鋪設(shè)微型爆破索；

（2）去掉拋蓋燃爆器換成1號起爆裝置；

（3）去掉聯(lián)鎖裝置；

（4）增設(shè)2號起爆裝置。

改進(jìn)后系統(tǒng)采用拉中央主彈射拉環(huán)操縱座艙蓋爆破系統(tǒng)工作。為確保座艙蓋爆破成功，系統(tǒng)采用了兩套座艙蓋起爆裝置。

座艙蓋爆破原理框圖如圖1所示。

圖1 座艙蓋爆破原理圖

Fig.1 Schematic diagram for canopy blasting

通過提拉中央主彈射拉環(huán)使1號起爆裝置打火，并使座椅彈射器工作，座椅彈離座艙的過程使2號起爆裝置打火。起爆裝置分別引爆導(dǎo)爆管，進(jìn)而起爆微爆索，使座艙蓋爆破。

改進(jìn)后系統(tǒng)對座椅彈射后的工作程序無任何改變。采用彈射與清除彈射通道障礙物同步進(jìn)行的工作方式，既實(shí)現(xiàn)了無延遲彈射，又能實(shí)現(xiàn)“0-0”救生，提高了救生能力。

2.2 微型爆破索

微型爆破索是一種含有猛炸藥的柔性細(xì)索，是一種具有爆破作用的導(dǎo)爆索。起爆后，炸藥爆轟產(chǎn)物及沖擊波可將飛機(jī)座艙蓋玻璃切割和粉碎。

微爆索由索芯、索殼和套管組成。

索芯是一種高能猛炸藥黑索金，化學(xué)名稱是環(huán)三次甲基三硝銨，其主要性能如下：

密度：1.816g/cm

熔點(diǎn)：204℃

爆熱：1345kJ/kg

爆速：8705m/s

索芯直徑0.8 mm，黑索金裝填線密度約為1 g/m。

索殼外直徑約為0.8mm，材料為鉛銻合金，其斷面形狀可根據(jù)需要制作圓形、半圓形或人字形，在索芯外覆蓋一層鉛銻合金是為了使索芯在一定強(qiáng)度的金屬外殼作用下建立速度穩(wěn)定的爆轟。微爆索的爆轟速度一般不低于6500m/s。

套管是一種被套在索殼外表面上直徑約為3mm的硅橡膠管或聚烯烴管，用來增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和保證點(diǎn)絕緣。

2.3 塑料導(dǎo)爆管

2.3.1 塑料導(dǎo)爆管傳爆原理

塑料導(dǎo)爆管是一種內(nèi)壁附有薄層混合炸藥的塑料軟管，能高速傳爆爆轟且沒有爆音。塑料軟管由高強(qiáng)度塑料或高壓聚乙烯制成。管內(nèi)表面涂有一層由奧克托金和鉛粉組成的混合猛炸藥粉末。

傳爆原理：起爆時(shí)，由于起爆元件的作用，管腔內(nèi)受到絕熱壓縮并出現(xiàn)沖擊波。腔內(nèi)的粉末由于與內(nèi)壁粘符力不強(qiáng)而脫落，炸藥粉粒產(chǎn)生相互碰撞，由于氣體間摩擦以及管壁的碰撞而局部升溫；另一方面受沖擊波壓縮而升溫升壓的管內(nèi)氣體介質(zhì)加熱與其相接觸的藥粒。于是藥粉發(fā)生爆炸，給沖擊波補(bǔ)充能量，使爆炸信號穩(wěn)定傳播。

2.3.2 塑料導(dǎo)爆管的性能

爆速：塑料導(dǎo)爆管的爆速隨內(nèi)徑、藥粉粒度、藥量、環(huán)境溫度的改變而改變。內(nèi)徑大、粉粒細(xì)、藥量多、環(huán)境溫度低則爆速高。在14℃條件下其爆速約為1950m/s。

起爆傳爆性能：塑料導(dǎo)爆管可用火帽、雷管、導(dǎo)爆索等起爆。具有良好的抗震動(dòng)、抗沖擊、抗摩擦性能和抗靜電性；可以不受靜電、雜散電、感應(yīng)電的干擾，安全地在強(qiáng)電磁環(huán)境中應(yīng)用；可任意彎曲，傳爆線路不受彎曲半徑限制；爆速高，沒有雜音，體積小、重量輕，工作安全可靠。

因塑料導(dǎo)爆管具有以上優(yōu)越性能，因此可在航空救生技術(shù)上用來傳遞能量，激發(fā)火藥動(dòng)力裝置的點(diǎn)火元件，也可用來引爆雷管使其它裝置起爆。

2.4 起爆裝置

改進(jìn)后的起爆裝置由兩套組成，二者構(gòu)造相同。1號起爆裝置由3號鋼索帶動(dòng)打火起爆，2號起爆裝置在座椅上升過程中通過座椅滑軌頂壓打火搖臂使打火機(jī)構(gòu)打火起爆。其構(gòu)造如圖2所示。

圖2 打火機(jī)構(gòu)

Fig.2 Firing device

平時(shí)，擊針彈簧被壓縮，擊針處于待發(fā)狀態(tài)。工作時(shí)，擊發(fā)銷被拉出，擊針在彈簧的作用下，撞擊針刺雷管，使雷管起爆。雷管的爆轟輸出可同時(shí)起爆導(dǎo)爆管的兩個(gè)自由端，使其工作。

2.5 微爆索的敷設(shè)和連接

2.5.1 敷設(shè)

微爆索在座艙蓋上的敷設(shè)不應(yīng)影響飛行員的視線，其敷設(shè)方式由座艙蓋的形式及要求將玻璃爆破的程度決定。為了將微爆索固定在座艙蓋玻璃上，可將它夾在特殊的膠條中，然后使膠條平面粘貼在座艙蓋玻璃的內(nèi)表面上。

根據(jù)爆炸物理學(xué)所闡明的爆炸凹槽聚能效應(yīng)，可以將微爆索的橫截面制成帶凹槽的形狀（如人字形），這樣，在它與座艙蓋玻璃相連的一邊形成空穴稱為聚能槽。微爆索爆炸時(shí)聚能槽的爆炸產(chǎn)物沿軸向集中，形成能量密度很大的聚能射流，大大提高了對座艙蓋玻璃的爆破能力。同時(shí)還可以減小裝藥線密度，減小脈沖波輸出和脈沖噪音。

為了使座艙蓋玻璃爆破的粉碎（碎片小些），在不妨礙飛行員視野的前提下，可將敷設(shè)回路通過座艙蓋頂部，并將微爆索的兩個(gè)自由端通過連接接頭同導(dǎo)爆索相連。導(dǎo)爆管將爆轟信號傳人微爆索，爆轟即在微爆索中以不低于6500 m/s的速度傳播，使微爆索幾乎同時(shí)爆炸，座艙蓋玻璃在微爆索的定向爆破下變?yōu)椴Ａ槠蚺撏怙w散，從而清除了彈射通道上的障礙物。

2.5.2 連接

微爆索兩個(gè)自由端與導(dǎo)爆管的連接方式示意圖如圖3所示。兩個(gè)爆破裝置均可引爆微爆索。

圖3 微爆索與導(dǎo)爆管的連接

Fig.3 Connecting of micro blasting cable and detonating tube

2.6 改進(jìn)后系統(tǒng)的工作過程

改進(jìn)后系統(tǒng)的工作過程框圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后系統(tǒng)的工作過程框圖

Fig.4 Schematic diagram of improved system

當(dāng)飛行員決定彈射離機(jī)時(shí)，雙手提拉中央主彈射拉環(huán)，經(jīng)1號傳動(dòng)鋼索帶動(dòng)彈射器5號鋼索，拉出撞針臂擊發(fā)椅彈，使座椅彈射機(jī)構(gòu)工作，同時(shí)帶動(dòng)3號鋼索，拔出了1號起爆裝置的擊發(fā)銷，釋放了擊針，擊針撞擊雷管使雷管起爆。爆轟波輸出立即使導(dǎo)爆管起爆，爆炸信號傳到微爆索，使其起爆，將座艙蓋玻璃切割并向艙外飛散。至此，彈射通道障礙物被清除，座椅即可順利上升，彈射離機(jī)。

如果1號起爆裝置起爆失敗，此時(shí)彈射器已打火，座椅已沿滑軌上升，它將擠壓2號起爆裝置的打火搖臂，使其工作，將起爆信號由另一導(dǎo)爆管支路引入爆破索，實(shí)現(xiàn)座艙蓋爆破。

在提拉中央主彈射拉環(huán)失效時(shí)，可直接握壓應(yīng)急彈射手柄，而不必按改進(jìn)前那樣先拉應(yīng)急拋蓋手柄，即可完成彈射任務(wù)。

座椅彈出后，按原來的工作程序繼續(xù)工作，達(dá)到彈射救生的目的。

3 改進(jìn)方案可行性分析

微爆索和導(dǎo)爆管應(yīng)用在救生系統(tǒng)中是提高救生裝備性能的有效措施。但改進(jìn)后，系統(tǒng)必須能夠可靠工作，且不能對飛行員造成任何傷害。

3.1 爆破作用不會傷害飛行員

微爆索對飛行員的危害主要來自沖擊波和脈沖噪聲。在沖擊波作用下，人體器官都可能受到損傷。脈沖噪聲可造成聽覺器官損傷和聽覺偏移。下列數(shù)據(jù)是座艙蓋微型爆破系統(tǒng)試驗(yàn)測得的沖擊波超壓值和脈沖噪聲強(qiáng)度：

沖擊波超壓：P<79.43 KPa

脈沖噪聲

平均峰壓：170.3 dB

平均寬度：13.75 ms

這對戴頭盔的飛行員是安全的。

3.2 改進(jìn)后系統(tǒng)工作可靠性分析

改進(jìn)后座椅上升時(shí)從擠壓打火搖臂到座艙玻璃之前所用時(shí)間應(yīng)大于2號起爆裝置起爆微爆索作用時(shí)間。由彈射運(yùn)動(dòng)方程：

md2x/dt2=AP-mgsinθ-Ft

因計(jì)算條件限制，無法準(zhǔn)確計(jì)算出離機(jī)時(shí)間，但可以求出其極值。

假設(shè)座椅以彈射筒最大加速度（15g）上升，則離（下轉(zhuǎn)第174頁）（上接第170頁）機(jī)所用時(shí)間最短。如果在這種情況下有足夠時(shí)間保證2號起爆裝置起爆微爆索，則正常工作時(shí)，兩套起爆裝置一定有足夠時(shí)間引爆微爆索。

設(shè)座椅相對飛機(jī)上升時(shí)初速V=0、a=amax=15g=150m/s2，座椅啟動(dòng)到打火搖臂拉出擊發(fā)銷時(shí)座椅的行程L=30mm，此時(shí)上升速度為V1：

則V1=3m/s

由微爆索性能可知，當(dāng)溫度高于14℃時(shí)，則每升高1℃，傳爆速度降低5 m/s，取溫度為50℃，則導(dǎo)爆管和微爆索起爆所用時(shí)間為T（假設(shè)兩者的長度均為2 m），計(jì)算結(jié)果：

T=0.0014375s

則座椅以V1速度和T時(shí)間上升的高度為：

H=V1T+0.5at2

=3×0.0014375+0.5×150×0.00143752=4.5mm

由上面計(jì)算可知，導(dǎo)爆管和和微爆索起爆所用時(shí)間很短，在如此短的時(shí)間內(nèi)，座椅上升高度極小，不會影響系統(tǒng)正常工作。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]