直升機(jī)抗墜毀淺析

陳亮 辛亮 李雪松

1、前 言

武裝直升機(jī)的生存性技術(shù)包括低被探測(cè)性、高抗彈傷能力和適墜性能。它裝備有空地、空空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、火箭、航炮等多種武器，它們不僅能對(duì)地面目標(biāo)實(shí)施低空、超低空，甚至貼地飛行攻擊，還能攻擊空中目標(biāo)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武裝直升機(jī)發(fā)揮著巨大的威力和不可替代的作用。但是，武裝直升機(jī)由于其作戰(zhàn)飛行處在低空或超低空領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射強(qiáng)，容易被探測(cè)，因而易受到紅外制導(dǎo)和雷達(dá)制導(dǎo)武器的攻擊。同樣，由于飛行高度低，非正常接地前駕駛員選擇的操縱動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間短，易墜地受損。因此，要求武裝直升機(jī)有很高的生存性。

2、直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)

武裝直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)是以駕駛員/乘員的生存性為前提的。目前美、歐諸國已經(jīng)把耐撞性（生存性）作為軍用直升機(jī)初始設(shè)計(jì)階段中與重量、載荷因子、疲勞壽命同等重要的關(guān)鍵問題來考慮?？箟嫐гO(shè)計(jì)主要集中在起落架、主機(jī)身、座椅和約束系統(tǒng)、燃油箱及燃油管路系統(tǒng)上。

2.1 直升機(jī)抗墜毀的概念設(shè)計(jì)

直升機(jī)墜毀過程產(chǎn)生的傷害源主要來自于三個(gè)方面，第一是突加（減）速度引起的作用于駕駛員/乘員身上的慣性過載力；第二是駕駛員/乘員直接與硬表面接觸碰撞引起的傷害；第三是環(huán)境因素造成的損害，如燃油泄漏引起的火災(zāi)，濃煙導(dǎo)致的窒息，溺水，化學(xué)物質(zhì)引起的中毒等。抗墜毀設(shè)計(jì)必須考慮所有可能傷害源的影響，在允許的墜毀工況下（包括墜毀速度、環(huán)境和姿態(tài)），避免或盡可能減輕傷害源造成的后果。值得注意的是，結(jié)構(gòu)抗墜毀常常是以犧牲飛機(jī)的有效載重/重量比為代價(jià)的，而這一點(diǎn)恰恰是飛行器設(shè)計(jì)中最為敏感的問題，因此要使這種代價(jià)降低到最小程度，就不是單一的從增加機(jī)體結(jié)構(gòu)的動(dòng)強(qiáng)度去考慮。對(duì)UH-60黑鷹直升機(jī)和AH-64阿帕奇直升機(jī)的抗墜毀設(shè)計(jì)研究表明，僅僅只有3 7%空重增加就足以滿足抗墜毀的各項(xiàng)指標(biāo)。而在直升機(jī)的抗墜毀設(shè)計(jì)中基于吸能防護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 起落架的抗墜毀設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)起落架是為了直升機(jī)整體抗墜毀的需要，包括：①保證乘員/駕駛員有足夠的生存空間。②保證作用于人體的加速度限制在可生存的水平以上。③防止機(jī)載物件脫開產(chǎn)生二次撞擊對(duì)乘員/駕駛員構(gòu)成傷害。④避免槳葉及其他尖銳構(gòu)件刺破主輔駕駛艙。⑤防止燃油泄漏引起的墜毀后火災(zāi)。⑥在結(jié)構(gòu)上保證有效的緊急撤離通道。

2.3 主機(jī)身結(jié)構(gòu)的抗墜毀設(shè)計(jì)

在作為抗墜毀的第一道防線起落架被破壞以后，主機(jī)身觸地，主機(jī)身結(jié)構(gòu)就形成保護(hù)乘員/駕駛員的第二道防線。過去的墜毀事故表明，乘員/駕駛員被擠壓死亡和二次撞擊死亡的情形十分普遍。因此，駕駛員/乘員艙在墜毀中必須限定其最大壓扁量（變形量），通常不能超過15%。設(shè)計(jì)要求機(jī)體結(jié)構(gòu)在綜合性能方面具有足夠的強(qiáng)度和良好的塑性變形能力，以便最大程度地吸收動(dòng)能和減緩沖擊力的影響。機(jī)身抗墜毀設(shè)計(jì)主要集中在下腹部。為了盡可能減輕重量，優(yōu)化吸能材料和優(yōu)化吸能結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到機(jī)艙的地板設(shè)計(jì)中，前者主要是依靠選用塑性區(qū)段長的材料來實(shí)現(xiàn)，注意如果復(fù)合材料被選用，則它的能量吸收特性至少應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)航空輕金屬材料（如鋁合金）的能量吸收特性相媲美。鋁合金的失效應(yīng)變是碳釬維復(fù)合材料的24倍，而能量吸收能力則高出64倍，說明碳釬維復(fù)合材料作為吸能材料是不合理的；后者主要是依靠選用一些特殊的結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)，如：波紋板、開縫圓管或方管、撕裂型蘑菇圓管、壓屈型皺管和蜂窩結(jié)構(gòu)等，通過它們?cè)跊_擊過程中的失效模式（如：連續(xù)壓碎、撕裂、皺曲）來吸收大量的能量，同時(shí)減緩沖擊力的幅值。墜毀期間對(duì)駕駛員/乘員生命構(gòu)成威脅的另一危險(xiǎn)就是旋翼穿透駕駛艙區(qū)，AH-64采用了獨(dú)特的旋翼支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，起到了很好的保護(hù)作用。它的旋翼支撐到靜軸外側(cè)的軸承上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過靜軸中間通道與支撐連接，而靜軸固定在與直升機(jī)機(jī)身頂部連接的桁架結(jié)構(gòu)的基座上，這樣一來對(duì)旋翼系統(tǒng)形成了可包容性，有效防止旋翼的斷裂。另外值得說明的是，在縱向撞擊條件下，前駕駛艙可能會(huì)出現(xiàn)變形過大而使得生存空間不足，這時(shí)后駕駛艙人員的生存安全系數(shù)無疑仍然較高。

2.4 座椅和乘員約束系統(tǒng)的抗墜毀設(shè)計(jì)

首先座椅本身必須設(shè)計(jì)有足夠的強(qiáng)度，在沖擊力作用下聯(lián)接件不產(chǎn)生脫落和嚴(yán)重挫位，并能與艙內(nèi)其他構(gòu)件保持協(xié)調(diào)結(jié)合，較好的方式是將座椅底部和背部裝配到駕駛艙的地板和后壁板上，以幫助平衡上下載荷與縱向載荷；第二，座椅同樣需要設(shè)計(jì)能量吸收系統(tǒng)，它的靠背通過上下滑道聯(lián)接到機(jī)艙后壁板上，可上下移動(dòng)，底部與液壓緩沖能量吸收裝置聯(lián)接，這個(gè)裝置載荷行程曲線非常平坦，表現(xiàn)出極好的能量吸收能力，機(jī)體腹部有優(yōu)化組合的能量吸收材料和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；第三，座椅周圍應(yīng)有足夠的空間，以便在座椅產(chǎn)生各方向變形時(shí)不會(huì)與其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相撞而導(dǎo)致能量吸收器的失效。

乘員約束系統(tǒng)是為乘員在受到?jīng)_擊和身體與結(jié)構(gòu)接觸碰撞時(shí)，使之免受傷害或受傷可能性降低至最小程度而設(shè)計(jì)的。約束除包括自動(dòng)自調(diào)安全帶、航空服、頭盔以外，還涉及乘員的沖擊環(huán)境。美軍AH-64設(shè)計(jì)對(duì)乘員頭部和肢體提出了專門的保護(hù)規(guī)定。主要有：①剛硬結(jié)構(gòu)元件盡可能遠(yuǎn)離頭部所能接觸的范圍內(nèi)。②在頭部可能觸及到的區(qū)域內(nèi)，必要機(jī)件控制臺(tái)、儀表板和電氣聯(lián)結(jié)盒等應(yīng)采用合適的吸能襯料、光滑外型表面，合理選用易碎板（其破壞應(yīng)力低于頭骨破壞應(yīng)力）還是韌性材料。③上下肢應(yīng)設(shè)計(jì)吸能襯套，腳操作系統(tǒng)的周圍應(yīng)有足夠強(qiáng)度，以確保下肢在事故中不被夾住或壓壞等。

2.5 燃油箱及燃油管路系統(tǒng)的防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)主燃油箱的防護(hù)是直升機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)要求燃油箱設(shè)置在遠(yuǎn)離乘員區(qū)以及因墜毀引起結(jié)構(gòu)變形可能使油箱被破壞或穿透的地方，油箱的支撐結(jié)構(gòu)與油箱有足夠的連接強(qiáng)度以防止接頭的脫落。油箱本身要求由韌性好，塑性區(qū)段長的耐撞性材料（具有阻燃性能）制成，這種材料保證在規(guī)范確定的可生存墜毀條件下，油箱只產(chǎn)生大的塑性變形而不會(huì)出現(xiàn)撕裂，從而使燃油不發(fā)生泄漏，避免與空氣接觸發(fā)生火災(zāi)。除此以外，美軍AH-64對(duì)燃油管路的設(shè)計(jì)也考慮了耐撞性，如規(guī)定管路具有較大的自由伸展余地，并通過碰撞易碎夾支撐固定管路來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而使直升機(jī)墜毀時(shí)管路系統(tǒng)可隨結(jié)構(gòu)變形而伸長或移動(dòng)，不傳遞高的拉伸應(yīng)力。