一種客機(jī)空中救生體系

張 宇 張恩群

(1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌 330000； 2. 山東礦業(yè)學(xué)院，泰安 271000)

0 引言

目前，客機(jī)空難救生只有一種先迫降后救生的被動(dòng)的地面救生方式[1]，但應(yīng)急迫降極易失敗且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡。據(jù)了解，空難死亡率高達(dá)70%以上，為改變這種局面，民航界提出了空中救生設(shè)計(jì)和構(gòu)想，如“客艙分離式”[2]、“彈射座椅式”[3]、“軌道座椅式”[4]等。但這些設(shè)計(jì)把大部分救生載荷浪費(fèi)在“客艙”、“座椅”等部件上，從而增大了無(wú)效救生載荷，使有效救生載荷占比很少；過(guò)多的無(wú)效載荷既增加了運(yùn)營(yíng)成本，且對(duì)客機(jī)的結(jié)構(gòu)性、穩(wěn)定性、安全性造成不同程度的影響[5]，無(wú)法用于實(shí)際。通過(guò)對(duì)越洋航空236號(hào)事件[6]、大阪空難123號(hào)事件[7]、尼日利亞航空2120號(hào)班機(jī)空難事件[8]、2019-5-5俄航空難事故[9]、川航3u8633事件[10]等諸多空難事例的研究，發(fā)現(xiàn)客機(jī)遇險(xiǎn)后除有少部分完全失控瞬間毀滅情況外，大部分都有較長(zhǎng)的緩沖時(shí)間[11]。若在這段緩沖時(shí)間內(nèi)進(jìn)行空中救生，那么該緩沖時(shí)間也自然形成了最佳的救生時(shí)機(jī)，這段緩沖時(shí)間稱之為“救生飛行時(shí)段”。本文在救生飛行時(shí)段的基礎(chǔ)上將2017年提出的一項(xiàng)專利技術(shù)——《客機(jī)高空空難救生系統(tǒng)及方法》結(jié)合客機(jī)和機(jī)內(nèi)人員構(gòu)建成一個(gè)客機(jī)空中救生體系，并就此進(jìn)行闡述。

1 客機(jī)空中救生體系

1.1 客機(jī)空中救生體系概述

客機(jī)空中救生體系由客機(jī)、自動(dòng)化救生系統(tǒng)、機(jī)內(nèi)人員構(gòu)建而成。其中客機(jī)既是空中自動(dòng)化救生系統(tǒng)和機(jī)內(nèi)人員的載體，也是救生飛行時(shí)段的提供者；自動(dòng)化救生系統(tǒng)是救生手段；機(jī)內(nèi)人員既是救生目標(biāo)，又是自救逃生的參與者。該體系的作用是在客機(jī)遇險(xiǎn)時(shí)能讓機(jī)內(nèi)人員快速地脫離客機(jī)安全著陸(水)，從而有效降低或免除空難中的人員傷亡。

1.2 客機(jī)在救生中的作用

客機(jī)作為載體，其承載的自動(dòng)化救生系統(tǒng)在遇險(xiǎn)時(shí)為機(jī)內(nèi)人員的救生提供了可靠條件?？蜋C(jī)作為提供者的作用在于提供的“救生飛行時(shí)段”越長(zhǎng)，救生時(shí)間越長(zhǎng)，救生效果就越好。因此客機(jī)的表現(xiàn)直接影響救生效果。

1.3 客機(jī)空中自動(dòng)化救生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的客機(jī)空中自動(dòng)化救生系統(tǒng)是引用自2017年12月授權(quán)專利號(hào)為：ZL2016101140179的發(fā)明專利《客機(jī)高空空難救生系統(tǒng)及方法》[12]。以下簡(jiǎn)稱為“自動(dòng)化救生系統(tǒng)”。

1.3.1 客機(jī)空中自動(dòng)化救生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

自動(dòng)化救生系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件包括救生球(單/多人)、救生球裝載設(shè)備、救生球投放設(shè)備、自動(dòng)化控制系統(tǒng)四個(gè)部分。

救生球如圖1所示，它包括：(1)救生球外層；(2)救生球內(nèi)層；(3)外層彈力拉索；(4)降落傘；(5)扣索接駁；(6)外層充氣裝置；(7)內(nèi)層充氣供氧裝置；(8)軟質(zhì)扶手；(9)氣壓感應(yīng)通氣閥門；(10)救生球口10；(11)卡扣。

圖1 自動(dòng)化救生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

救生球裝載設(shè)備和投放設(shè)備及客機(jī)自動(dòng)化救生系統(tǒng)裝配位置圖如圖2、圖3所示。

圖2 救生球裝載示意圖

圖3 自動(dòng)化救生系統(tǒng)裝配位置及載人救生球示意圖

自動(dòng)化控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)示意圖

自動(dòng)化救生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密、構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行速度快、使用安全、操作便利(沒(méi)有受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的普通乘客亦可輕松使用)。當(dāng)載人救生球通過(guò)時(shí)，兩扇隔離門可自動(dòng)打開(kāi)關(guān)閉隔離機(jī)外低溫低壓，從而維護(hù)機(jī)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。載人救生球能保護(hù)人員不受高空低溫低壓和撞擊、水淹等傷害。另外客機(jī)使用自動(dòng)化救生系統(tǒng)，只需要在適當(dāng)部位的客艙地板上開(kāi)兩個(gè)適當(dāng)直徑的洞口，在兩個(gè)洞口上分別裝配救生球裝載間和儲(chǔ)存間，然后在相應(yīng)位置的底板上也開(kāi)一個(gè)適當(dāng)大小的洞口裝配救生球投放設(shè)備并與救生球裝載間的洞口連接，即可形成一個(gè)向外的救生通道(見(jiàn)圖2位置)。自動(dòng)化救生系統(tǒng)遵循了適度原則，客機(jī)裝配這一系統(tǒng)所要做出的改造和讓步幾乎可以忽略不計(jì)，完全在可接受范圍之內(nèi)。

從客機(jī)角度來(lái)看，安裝自動(dòng)化救生系統(tǒng)只需要在適當(dāng)部位的客艙地板上開(kāi)兩個(gè)適當(dāng)直徑大小的洞口，在兩個(gè)洞口上分別裝配救生球裝載間和儲(chǔ)存間，然后在相應(yīng)位置的底板上也開(kāi)一個(gè)適當(dāng)大小的洞口裝配救生球投放設(shè)備并與救生球裝載間的洞口連接形成一個(gè)向外的救生通道，客機(jī)安裝這一系統(tǒng)所要做出的改造和讓步可以忽略不計(jì)，對(duì)客機(jī)的結(jié)構(gòu)性、穩(wěn)定性、安全性也不會(huì)造成影響。同時(shí)幾乎沒(méi)有任何無(wú)效救生載荷，有效救生載荷占比極高，提供緩降緩沖的設(shè)備既不會(huì)過(guò)度增加客機(jī)的載重也不會(huì)提高運(yùn)營(yíng)的成本。還有自動(dòng)化救生系統(tǒng)除有救生球的材料(其在強(qiáng)度、彈性、柔性、輕質(zhì)、密封等方面要求極高，多人救生球更甚)或?qū)⑹请y點(diǎn)以外，現(xiàn)有的航空航天材料和精密制造、傘降、GPS定位和自動(dòng)化控制等技術(shù)完全能支持該系統(tǒng)研發(fā)、制造和應(yīng)用。所以自動(dòng)化救生系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊密、構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小、比重輕、行程短、運(yùn)行速度快、有效救生載荷占比極高以及材料和技術(shù)的支持度高等特性。

1.3.2 客機(jī)空中自動(dòng)化救生系統(tǒng)流程

圖5 救生流程示意圖

當(dāng)飛行出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，通過(guò)一定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，客機(jī)在救生飛行時(shí)段內(nèi)開(kāi)始實(shí)施救生，如圖5所示。乘務(wù)員立刻組織安排乘客有序進(jìn)入救生球裝載間坐在壓縮救生球上系好扣索，按下按鈕啟動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)按照程序依次觸發(fā)升降機(jī)構(gòu)下降，封口機(jī)構(gòu)對(duì)救生球封口，當(dāng)升降機(jī)構(gòu)下降到裝載設(shè)備底部后傾斜將載人救生球轉(zhuǎn)移到投放設(shè)備中，這時(shí)切換機(jī)構(gòu)將壓縮救生球從救生球儲(chǔ)存間內(nèi)運(yùn)移至救生球裝載間，升降機(jī)構(gòu)上升回位，預(yù)備下一流程開(kāi)始。載人救生球進(jìn)入投放設(shè)備后，投放設(shè)備將載人救生球運(yùn)移到內(nèi)隔離門前，隨即內(nèi)隔離門打開(kāi)，通過(guò)內(nèi)隔離門后，內(nèi)隔離門關(guān)閉外隔離門打開(kāi)，載人救生球通過(guò)外隔離門脫離客機(jī)，隨后外隔離門關(guān)閉。載人救生球脫離客機(jī)下降，下降至客機(jī)的安全距離后，救生球的外層充氣裝置和內(nèi)層充氣供氧裝置分別充氣供氧，然后打開(kāi)降落傘，在降落至安全海拔和安全氣壓區(qū)間后氣壓感應(yīng)通氣閥門打開(kāi)，最后載人救生球?qū)崿F(xiàn)軟著陸(水)，就這樣完成一次救生流程。上述流程如此往復(fù)即可實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)人員全部自救逃生。

1.3.3 自動(dòng)化救生系統(tǒng)在民航四性[13]上的體現(xiàn)

民航四性是民機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求[13]，而自動(dòng)化救生系統(tǒng)本身就是綜合了四性設(shè)計(jì)形成的一套救生系統(tǒng)，如：救生球有保護(hù)人免遭高空低溫低壓和落地碰撞、水淹等傷害的功能，體現(xiàn)其良好的安全性；在設(shè)計(jì)、論證、測(cè)試時(shí)均可依托現(xiàn)有技術(shù)使其可靠性達(dá)到應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)；自動(dòng)化救生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密、構(gòu)造簡(jiǎn)單、體積小等特征體現(xiàn)其良好的維修性；其重量輕和救生載荷率高的特點(diǎn)使客機(jī)的載荷消耗小，體現(xiàn)其良好的經(jīng)濟(jì)性。所以該系統(tǒng)充分滿足了民航四性的要求。

1.4 機(jī)內(nèi)人員在救生中的作用

在救生中，機(jī)內(nèi)人員既是救生的目標(biāo)，又是救生的參與者，因?yàn)榻巧煌渥饔酶鳟?，?duì)救生效果的作用也不相同。機(jī)內(nèi)人員不同角色的作用分別為：(1)機(jī)長(zhǎng)駕駛客機(jī)保持平穩(wěn)從而贏得更長(zhǎng)的救生飛行時(shí)段，創(chuàng)造更好的救生條件；(2)乘務(wù)人員安撫乘客情緒、維持秩序、操作救生系統(tǒng)組織救生；(3)乘客積極配合輔助乘務(wù)人員維持秩序，協(xié)同一致自救逃生。機(jī)內(nèi)人員在救生過(guò)程中的主觀能動(dòng)性直接作用于救生效果[14]。

1.5 客機(jī)空中救生體系中各項(xiàng)要素間的關(guān)系，以及客機(jī)和自動(dòng)化救生系統(tǒng)的合理匹配

客機(jī)空中救生體系是由客機(jī)、自動(dòng)化救生系統(tǒng)和機(jī)內(nèi)人員構(gòu)建而成，但在救生過(guò)程中對(duì)救生效果產(chǎn)生影響的要素有以下7項(xiàng)，分別是：救生飛行時(shí)段T、救生時(shí)間t、救生人數(shù)M、自動(dòng)化救生系統(tǒng)單位耗時(shí)a、人員操作耗時(shí)b、救生球載人數(shù)c和救生系統(tǒng)套數(shù)d。他們各自的關(guān)系如下：

(a+c·b) 為救生系統(tǒng)一次運(yùn)行流程救生的總消耗時(shí)間，稱為單次運(yùn)行流程救生耗時(shí)；

(a+c·b)÷c為救生系統(tǒng)一次運(yùn)行流程救生的人均消耗時(shí)間，稱為單位人均耗時(shí)；

(a+c·b)÷c÷d為d套救生系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行完成一次流程救生的人均消耗時(shí)間，稱為總?cè)司臅r(shí)；

(a+c·b)÷c÷d×M=t為總?cè)司臅r(shí)乘以總?cè)藬?shù)M等于全員救生的總耗時(shí)t。

而t受T影響，T的長(zhǎng)短直接決定t的長(zhǎng)短，直接影響整個(gè)救生效果的好壞，T越長(zhǎng)t就越長(zhǎng)，救生效果越好，反之亦然。所以T是t的充分不必要條件，且t?T。

綜上影響救生效果的7項(xiàng)要素間的關(guān)系可用式(1)表達(dá):

(a+c·b)÷c÷d×M=tt?T

(1)

式(1)中，設(shè)t為已知，t÷(a+c·b)可求解時(shí)長(zhǎng)t內(nèi)一套救生系統(tǒng)完成的救生流程次數(shù)，流程次數(shù)再乘以c和d，即可求解在已知的t內(nèi)可救人數(shù)M，反應(yīng)了救生系統(tǒng)的救生效率。也就是說(shuō)當(dāng)T不滿足t即T

M=t÷(a+c·b)×c×dt?T

(2)

式(2)中，當(dāng)M=客機(jī)最大載客數(shù)時(shí)，M還可以作為設(shè)計(jì)客機(jī)配置自動(dòng)化救生系統(tǒng)套數(shù)及自動(dòng)化救生系統(tǒng)匹配單/多人救生球的主要依據(jù)。如果對(duì)越洋航空236號(hào)事件中客機(jī)燃油泄漏完全失去動(dòng)力仍可滑翔20 min的情況進(jìn)行分析，假設(shè)將這20 min作為救生飛行時(shí)段的參照時(shí)間T=20 min，客機(jī)載客為200人、系統(tǒng)單次運(yùn)行耗時(shí)a=8 s、人均操作耗時(shí)b=2 s、配置一套自動(dòng)化救生系統(tǒng)和匹配單人救生球，即d=1 、c=1，全員救生最低耗時(shí)為:

(a+b·c)÷c÷d×M=(8+2·1)÷1

÷1×200=2 000 s≈33.3 min

(3)

從式(3)可知，其耗時(shí)遠(yuǎn)大于20 min的參照時(shí)間，說(shuō)明在這救生飛行時(shí)段內(nèi)無(wú)法完成全員救生。若匹配雙人救生球，即d=1 、c=2，全員救生最低耗時(shí)為：

(a+b·c)÷c÷d×M=(8+2·2)÷2

÷1×200=1 200 s=20 min

(4)

從式(4)可知，其耗時(shí)等于參照時(shí)間，恰好可以完成全員救生。若匹配三人救生球，即d=1 、c=3，全員救生最低耗時(shí)為：

(a+b·c)÷c÷d×M=(8+2·3)÷3

÷1×200≈933.3 s≈15.6 min

(5)

從式(5)可知，其耗時(shí)少于20 min的參照時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)全員救生，也就是說(shuō)若客機(jī)無(wú)法維持20 min的參照時(shí)間，但只要T>t=15.6 min，同樣也可以完成全員救生。這說(shuō)明一套自動(dòng)化救生系統(tǒng)匹配單/多人救生球的不同，產(chǎn)生的救生效果不同，依此類推。如果在此基礎(chǔ)上客機(jī)多配置一套自動(dòng)化救生系統(tǒng)，即d=2，那么整體耗時(shí)就減少一半，救生速率提高一倍，若配置套數(shù)更多，可以此類推?？蜋C(jī)若合理的配置自動(dòng)化救生系統(tǒng)套數(shù)和自動(dòng)化救生系統(tǒng)匹配單/多人救生球就可以在有限的救生飛行時(shí)段內(nèi)使救生效果最大化，同時(shí)又不浪費(fèi)客機(jī)的有效載荷。另外當(dāng)T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t的情況下，還可以視地形地域選擇救生，即不在遠(yuǎn)海、山地救生而選擇在近海、湖泊、平原或市郊上空的地形地域進(jìn)行救生，以便開(kāi)展隨后的搜救。

2 客機(jī)空中救生體系的適用場(chǎng)景

研究發(fā)現(xiàn)，諸多客機(jī)空難事例在救生飛行時(shí)段內(nèi)所顯現(xiàn)出的場(chǎng)景分為三種類型：

1)客機(jī)險(xiǎn)情出現(xiàn)后，客機(jī)飛行、機(jī)內(nèi)人員和救生系統(tǒng)的狀態(tài)都基本未發(fā)生變化(燃油泄漏、起落架故障等)。譬如越洋航空236號(hào)事件，中國(guó)東航 MU586事故[15]等。這些事例都充分說(shuō)明在整個(gè)救生飛行時(shí)段內(nèi)的情況都是客機(jī)空中救生體系適用的場(chǎng)景。

2)客機(jī)出現(xiàn)突發(fā)險(xiǎn)情時(shí)，客機(jī)的飛行和機(jī)內(nèi)人員的狀態(tài)發(fā)生急劇變化(劇烈顛簸、驟升驟降等)，短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重影響或妨礙人的行動(dòng)，人不能使用自動(dòng)化救生系統(tǒng)。但通過(guò)人的努力，又能較快地使這種影響或妨礙由強(qiáng)變?nèi)酢⒂纱笞冃?使客機(jī)和機(jī)內(nèi)人員基本恢復(fù)原有狀態(tài)。譬如川航3u8633事件，2019-5-5俄航空難事件，東航MU583事件[16]等。這些事例都充分說(shuō)明在整個(gè)救生飛行時(shí)段的情況內(nèi)，除去突發(fā)險(xiǎn)情嚴(yán)重影響客機(jī)和人的狀態(tài)的情況外，都是客機(jī)空中救生體系適用的場(chǎng)景。

3)客機(jī)出現(xiàn)險(xiǎn)情后，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成嚴(yán)重影響，但隨著險(xiǎn)情發(fā)展這種影響會(huì)由弱變強(qiáng)、由小變大(機(jī)內(nèi)起火等)，直至嚴(yán)重影響客機(jī)的飛行、人的行動(dòng)和人對(duì)自動(dòng)化救生系統(tǒng)的使用。譬如尼日利亞航空2120號(hào)班機(jī)空難事件，大阪空難123號(hào)事件等。這些事例都充分說(shuō)明在整個(gè)救生飛行時(shí)段的情況內(nèi)，漸強(qiáng)險(xiǎn)情初、中期的情況就是客機(jī)空中救生體系適用的場(chǎng)景。

以上三類場(chǎng)景表明不管客機(jī)遭遇何種險(xiǎn)情，只要險(xiǎn)情出現(xiàn)后客機(jī)、人和自動(dòng)化救生系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)未完全打破，即客機(jī)基本能維持飛行、人基本能行動(dòng)和使用自動(dòng)化救生系統(tǒng)的情況就都是客機(jī)空中救生體系適用的場(chǎng)景。

3 客機(jī)空中救生體系的可行性

客機(jī)空中救生體系構(gòu)建后，依托現(xiàn)有技術(shù)(成熟的傘降、GPS定位、自動(dòng)化控制應(yīng)用、輕型材料和精密制造等)研發(fā)制造出有自動(dòng)化救生系統(tǒng)的新型客機(jī)，在其適用的場(chǎng)景就可以完成客機(jī)空中救生，大大降低空難死亡率更好地保護(hù)人員的生命安全，所以客機(jī)空中救生體系極具可行性。

4 結(jié)論

1)救生飛行時(shí)段客觀的大量存在、客機(jī)在救生中的作用、自動(dòng)化救生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)內(nèi)人員在救生中的作用、影響客機(jī)空中救生體系救生效果的7項(xiàng)要素推演結(jié)果、客機(jī)合理配置自動(dòng)化救生系統(tǒng)的套數(shù)和自動(dòng)化救生系統(tǒng)對(duì)單/多人救生球的匹配、客機(jī)空中救生體系適用的場(chǎng)景、客機(jī)空中救生體系類比軍用飛機(jī)空中救生體系論客機(jī)空中救生體系可行性和必要性等多個(gè)方面從理論上充分證明了客機(jī)空中救生體系完全能夠構(gòu)建起來(lái)。

2)客機(jī)空中救生體系一旦構(gòu)建起來(lái)必然會(huì)進(jìn)行研發(fā)實(shí)制，催生出有自動(dòng)化救生系統(tǒng)的更安全的新型客機(jī)，這種新型客機(jī)將是旅客和各大運(yùn)營(yíng)商的必然選擇，迫使現(xiàn)有客機(jī)全面更新?lián)Q代，這不僅能改變客機(jī)空難救生現(xiàn)狀，指明一個(gè)客機(jī)空難救生發(fā)展的新方向，為“空地一體全方位客機(jī)空難救生體系”奠定基礎(chǔ)，還將大大降低高達(dá)70%的空難死亡率，全面推動(dòng)民航安全發(fā)展，掀起一場(chǎng)民航界空前的革命。

3)當(dāng)今民航空難頻發(fā)，死亡率居高不下，而空中救生仍舊一片空白，若中國(guó)搶抓先機(jī)，研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝配有自動(dòng)化救生系統(tǒng)的新型客機(jī)，并以多國(guó)專利的形式進(jìn)行保護(hù)，那么中國(guó)民航將在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里占據(jù)市場(chǎng)，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，獲得巨大的發(fā)展，同時(shí)民航業(yè)的興盛還必將對(duì)我國(guó)政治經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，從而帶來(lái)重大的應(yīng)用價(jià)值。