飛機(jī)彈射座椅專利技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

倪芳原 鄭碩

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北武漢 430070）

飛機(jī)彈射座椅專利技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

倪芳原 鄭碩

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北武漢 430070）

彈射座椅是現(xiàn)代高速機(jī)動(dòng)飛機(jī)的主要救生設(shè)備，本文介紹彈射座椅的發(fā)展歷程，闡明彈射座椅技術(shù)特點(diǎn)、控制方式，并通過專利分析著重研究國內(nèi)外彈射座椅專利申請(qǐng)的發(fā)展路徑，為進(jìn)一步展開彈射座椅專利申請(qǐng)?zhí)峁┙ㄗh。

彈射座椅；專利分析；技術(shù)路線

自1783年人類第一次實(shí)現(xiàn)氣球載人飛行后，便產(chǎn)生了航空應(yīng)急救生問題。1903年，美國萊特兄弟首次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力飛行以后，在飛機(jī)失事時(shí)，挽救飛行員生命的方法研究便提上了議事日程。法國于1917年首先把降落傘用于軍用飛機(jī)。第一次世界大戰(zhàn)期間，約有800名氣球觀測(cè)員從失事的氣球上跳傘獲救。第二次世界大戰(zhàn)中，降落傘成為軍用飛機(jī)必備的救生工具［1］。

隨著飛機(jī)速度的提高，飛機(jī)的速度超過400km/h，飛行員爬出座艙跳傘已是力所不及。隨著飛機(jī)性能的不斷改進(jìn)，飛行速度大大提高，這種做法也越來越?jīng)]有保證，因?yàn)樵诰o急情況下，飛行員往往來不及脫身，而且在爬艙跳傘時(shí)，人體與機(jī)冀、尾部極易相撞造成傷亡。因此，幾乎所有現(xiàn)代飛機(jī)上的彈射座椅都想方設(shè)法設(shè)計(jì)出各種型式的穩(wěn)定裝置，以滿足這些復(fù)雜狀態(tài)下的一定要求［2］。

1 彈射座椅技術(shù)概述

彈射座椅是現(xiàn)代高速機(jī)動(dòng)飛機(jī)的主要救生設(shè)備［3，4］。飛行時(shí)，其是飛行員的工作座椅，應(yīng)急離機(jī)時(shí)把飛行員強(qiáng)制推離飛機(jī)，攜帶并保護(hù)飛行員安全脫離飛機(jī)并送至地面，等待營救。彈射座椅通常由骨架、動(dòng)力裝置、約束裝置、彈射操縱裝置、開傘、人-椅分離裝置、穩(wěn)定裝置、人體防護(hù)裝置及特種救生包等組成（見圖1）。

圖1 彈射座椅

目前使用的彈射座椅有彈道彈射座椅和火箭彈射座椅。彈道彈射座椅是在座椅的背后裝有一個(gè)彈射筒，筒內(nèi)裝有火藥的彈射彈?；鸺龔椛渥问菫榱私鉀Q當(dāng)飛行高度很低時(shí)使用的救生裝置，是一種用火箭作動(dòng)力的彈射座椅。

2 彈射座椅發(fā)展歷程

彈射救生技術(shù)從20世紀(jì)中期開始應(yīng)用于軍用飛機(jī)，截至目前，已經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段。

2.1 第一代彈射座椅

20世紀(jì)40年代中期至50年代中期，第一代彈射座椅利用滑膛炮的原理把人和座椅作為“炮彈”射出飛機(jī)座艙，然后使人椅分離打開救生傘。其主要解決了飛行員在高速條件下的應(yīng)急離機(jī)問題，如英國的MK-l、MK-5及俄國的米格-15、米格-17飛機(jī)上的彈射座椅。

2.2 第二代彈射座椅

20世紀(jì)50年代中期至60年代中期，第二代彈射座椅為火箭彈射座椅。其主要特征是把火箭作為彈射座椅的第二級(jí)動(dòng)力，在第一級(jí)動(dòng)力彈射機(jī)構(gòu)的作用下把人椅系統(tǒng)推出座艙后，再由火箭繼續(xù)推動(dòng)人椅系統(tǒng)向上運(yùn)動(dòng)，使其具有更高的軌跡，以解決零高度、零速度時(shí)彈射救生問題。

2.3 第三代彈射座椅

20世紀(jì)60年代中期開始一直持續(xù)至今，彈射座椅進(jìn)入多態(tài)彈射的發(fā)展時(shí)期，其主要特點(diǎn)是采用了速度傳感器，根據(jù)應(yīng)急離機(jī)的飛行速度的不同，救生程序執(zhí)行不同的救生模式，從而縮短救生傘低速開傘的時(shí)間，提高不利姿態(tài)下的救生成功率。國外現(xiàn)役機(jī)種裝備的彈射座椅絕大部分為第三代彈射座椅。

2.4 第四代彈射座椅

彈射座椅發(fā)展的第4個(gè)階段實(shí)際始于20世紀(jì)70年代末期，與第三階段的后期相互交織、平行發(fā)展。其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)人椅系統(tǒng)離機(jī)后的姿態(tài)控制，其關(guān)鍵技術(shù)是可控推力技術(shù)和飛行控制技術(shù)。主要解決高速彈射救生和不利姿態(tài)下的救生問題。由于第四代彈射座椅的關(guān)鍵技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性很大，雖然經(jīng)過了20多年的研究（如MpEs計(jì)劃、CREsT計(jì)劃、第四代彈射救生技術(shù)的驗(yàn)證計(jì)劃等），取得了很大的進(jìn)展，但至今尚未裝機(jī)服役［5］。

3 彈射座椅國內(nèi)外發(fā)展概況

第一次世界大戰(zhàn)中，德國率先使用降落傘實(shí)現(xiàn)空中自救，彈射座椅便登上了歷史舞臺(tái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和我國綜合實(shí)力的不斷增強(qiáng)，國內(nèi)對(duì)彈射座椅的研究逐步深入，不斷追趕著世界領(lǐng)先水平。

對(duì)1995-2015年中國及全球?qū)＠暾?qǐng)情況進(jìn)行分析和梳理，如圖2所示。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)上的救生設(shè)備的研究一直得到各國的重視，而伴隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及隨之而來的相關(guān)問題，中國呈穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，仍然還有很大的發(fā)展空間。

全球主要國家或地區(qū)專利申請(qǐng)數(shù)量分布如圖3所示。不難看出，彈射座椅專利申請(qǐng)主要集中在長(zhǎng)期發(fā)展的美國、英國、德國。同時(shí)，歐洲、日本、俄羅斯這些致力于航空發(fā)展的國家也有不少的專利申請(qǐng)。雖然中國發(fā)展的時(shí)間比較晚，但在短短的近20年來能有如此成果已是不容忽視的。

圖2 1995-2015年彈射座椅領(lǐng)域的中國及全球?qū)＠暾?qǐng)情況

圖3 彈射座椅全球主要國家或地區(qū)專利申請(qǐng)數(shù)量分布

國內(nèi)外主要申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)數(shù)量分布如圖4所示。在彈射座椅領(lǐng)域，俄羅斯“星星”公司（ZVEZ-R）占有一定的優(yōu)勢(shì)，而其他著名飛機(jī)制造公司，如馬丁-貝克（MART-N）、波音公司（BOEI）及麥道公司(MCDD)也占有一席之地。在圖3中用同一種顏色表示同一個(gè)國家，可以看出美國公司占據(jù)了大部分。而且，從全球主要申請(qǐng)人的性質(zhì)可以看出，彈射座椅的研發(fā)中堅(jiān)力量大部分集中在飛機(jī)制造公司，而國內(nèi)的航宇救生有限公司（AERON）是屬于從事航空防護(hù)救生、空降空投裝備研制的企業(yè)，國內(nèi)傳統(tǒng)的飛機(jī)制造公司并不在之列。

圖4 彈射座椅國內(nèi)外主要申請(qǐng)人

4 彈射座椅技術(shù)發(fā)展路線

彈射座椅技術(shù)發(fā)展涉及到彈射裝置、彈射前的姿態(tài)控制、彈射后的姿態(tài)控制、彈射過程保護(hù)裝置4個(gè)主要方面，如圖5、6所示。4個(gè)主要方面形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，共同影響了彈射座椅彈射安全性能。彈射裝置主要包括動(dòng)力裝置、致動(dòng)裝置，確保彈射座椅能及時(shí)致動(dòng)彈射至飛行器外；彈射前的姿態(tài)控制主要是通過導(dǎo)軌確保彈射方向；彈射后的姿態(tài)控制則包括附加推進(jìn)裝置、姿態(tài)控制方法等；彈射過程保護(hù)裝置則包含保護(hù)頭枕、保護(hù)降落傘、保護(hù)網(wǎng)等。這四個(gè)部分都是保證彈射座椅能順利彈射，飛行員能安全逃生必不可少的方面。

圖5 彈射座椅的技術(shù)分支

圖6 主要技術(shù)分支的發(fā)展

對(duì)1995-2015年各個(gè)技術(shù)分支的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析和梳理，如圖7所示。在近20年內(nèi)，彈射過程的保護(hù)裝置一直占據(jù)了主要部分，但專利申請(qǐng)量沒有明顯的峰值，而且在近5年內(nèi)呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，而近5年內(nèi)彈射裝置的發(fā)展則占據(jù)了主要部分。分析其原因，正是因?yàn)樵?013年，中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司對(duì)襄樊地區(qū)中國航空救生索、漢江機(jī)械廠和合肥江淮航空儀表廠進(jìn)行了資源整合，組建了中國航宇救生裝備有限公司，也是目前我國唯一的航空救護(hù)研發(fā)中心，而中國航宇救生裝備有限公司從2013年起對(duì)彈射座椅的致動(dòng)裝置進(jìn)行了大量的研究。進(jìn)而觀察其余2個(gè)分支的發(fā)展，彈射后的姿態(tài)控制的研究在近10年內(nèi)都比較少，甚至在2006-2010年出現(xiàn)完全空白的情況。而彈射前的姿態(tài)控制的研究一直不多，但還是在斷斷續(xù)續(xù)延續(xù)著，在近5年內(nèi)有逐漸增加的趨勢(shì)。

圖7 四大分支的發(fā)展趨勢(shì)

國內(nèi)外主要申請(qǐng)人在四大分支下的專利申請(qǐng)數(shù)量分布如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)國外主要申請(qǐng)人的研究主要集中在彈射后的姿態(tài)控制及彈射過程保護(hù)裝置，美國海軍飛機(jī)（USNA）及美國空軍（USAF）僅在這兩個(gè)方面進(jìn)行研究，研究主要集中在1976-1990年。而國內(nèi)航宇救生有限公司（AERO-N）的研究主要集中在彈射裝置，對(duì)彈射后的姿態(tài)控制方面沒有研究；而主要申請(qǐng)人對(duì)彈射前的姿態(tài)控制的研究都比較少。

圖8 國內(nèi)外主要申請(qǐng)人在四大分支下的專利申請(qǐng)

5 重要申請(qǐng)人專利分析

自從第二次世界大戰(zhàn)末期出現(xiàn)彈射座椅以來，已經(jīng)過三代的發(fā)展，進(jìn)入第四代彈射座椅的研制階段。這一階段中主要是利用了自適應(yīng)控制、推力控制、高速穩(wěn)定和高速氣流防護(hù)等相關(guān)技術(shù)，擴(kuò)大彈射救生的可適用范圍。在國內(nèi)外主要申請(qǐng)人中，美國海軍飛機(jī)在自適應(yīng)控制技術(shù)的研究上有一些代表性專利。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)國內(nèi)外彈射座椅專利的分析得到以下結(jié)論：①從全球主要申請(qǐng)人的性質(zhì)可以看出，彈射座椅的研發(fā)中堅(jiān)力量大部分集中在飛機(jī)制造公司，國內(nèi)傳統(tǒng)的飛機(jī)制造公司并不在之列；②國內(nèi)航宇救生有限公司的研究主要集中在彈射裝置，對(duì)彈射后的姿態(tài)控制方面沒有研究，而主要申請(qǐng)人對(duì)彈射前的姿態(tài)控制的研究均較少；③在國內(nèi)外主要申請(qǐng)人中，美國海軍飛機(jī)在自適應(yīng)控制技術(shù)的研究上有一些代表性專利。所以，在彈射座椅的專利預(yù)研、準(zhǔn)備、申請(qǐng)等方面的工作，中國仍有廣闊的發(fā)展空間，相關(guān)企業(yè)可瞄準(zhǔn)這些方面提前布局，早日實(shí)現(xiàn)趕超國際先進(jìn)水平的目標(biāo)。

［1］譚率.基于嵌套網(wǎng)格的人椅系統(tǒng)高速流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

［2］李銳.彈射救生技術(shù)的回顧與展望［A］//湖北省航空學(xué)會(huì)成立二十周年學(xué)術(shù)交流文集，2004.

［3］沈爾康.彈射座椅的發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空學(xué)報(bào)，1987（8）：341-347.

［4］沈爾康.航空彈射救生裝備［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1998.

［5］樊虎等.淺析航空座椅彈射火箭的發(fā)展［J］.航空工程進(jìn)展，2012（3）：279-283.

Analysis On Patent Technology Of Aircraft Ejection Seat

Ni FangyuanZheng Shuo
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei 430070）

Ejection seat is the main lifesaving equipment of modern high speed maneuvering aircraft.This paper introduced the development process,technical features and control methods of ejection seat.On the other side,this paper focused on the development path of domestic and international patent application of ejection seat through patent analysis,to provide the suggestions for the further development of the patent application.

ejection seat；patent analysis；technology roadmap

V271

A

1003-5168（2017）04-0136-03

2017-03-06

倪芳原（1989-），女，碩士，審查員，研究方向：動(dòng)力機(jī)械的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查；鄭碩（1989-），女，碩士，審查員，研究方向：動(dòng)力機(jī)械的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作（等同第一作者）。