梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

張 巖，殷東辰*，施維茹，溫冬青，于立華，吳建兵，王桂友，薛利豪，顧 昭，楊 光，韓學(xué)平

（1.空軍特色醫(yī)學(xué)中心，北京100142；2.長(zhǎng)春奧普光電技術(shù)股份有限公司，長(zhǎng)春130033）

0 引言

救護(hù)飛行員快速脫離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙的相關(guān)設(shè)備、器材的研制一直受到航空兵部隊(duì)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的關(guān)注[1]。相關(guān)飛行事故資料分析顯示，機(jī)場(chǎng)內(nèi)飛行事故發(fā)生率約占飛行事故的50%[2-4]。因此，研制操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)的飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置，協(xié)助飛行員快速脫離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙是不可忽視的問(wèn)題。目前，飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置主要包括組合式救護(hù)梯、掛車(chē)式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)設(shè)備和飛機(jī)搶救車(chē)3種[3-6]。這些裝置在可靠性、便攜性、勤務(wù)適應(yīng)性等方面各有其特點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)題，如組合式救護(hù)梯吊救受傷飛行員出艙的角度和高度不夠，需要救護(hù)人員協(xié)助搭拽出艙，且沒(méi)有保護(hù)背板，可能在施救過(guò)程中對(duì)受傷飛行員的脊柱造成二次傷害；掛車(chē)式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)設(shè)備采用手工操作，固定防側(cè)翻支腿、抽拉三節(jié)吊桿、轉(zhuǎn)動(dòng)絞盤(pán)等操作相對(duì)復(fù)雜，使用不便；飛機(jī)搶救車(chē)選用SX2190NF汽車(chē)底盤(pán)進(jìn)行改裝，裝備造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大，需要專(zhuān)業(yè)人員操作。因此，需要針對(duì)我國(guó)機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救護(hù)特點(diǎn)開(kāi)展研究，機(jī)場(chǎng)應(yīng)急救護(hù)也應(yīng)逐漸走向技術(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化[7]。為滿(mǎn)足部隊(duì)需要，切實(shí)解決飛行員快速脫離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙的需要，本研究設(shè)計(jì)了梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置，將強(qiáng)度、質(zhì)量適宜的碳纖維和鋁合金相結(jié)合作為主要材料，滿(mǎn)足便攜和強(qiáng)度的勤務(wù)要求；采用副梯上下抽拉、側(cè)梯左右移動(dòng)、吊桿相對(duì)固定的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足快速展收、有效吊救的要求；使用副梯鉤掛飛機(jī)座艙外緣方式，滿(mǎn)足吊救過(guò)程的安全性要求。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 適用條件

適用于各型戰(zhàn)斗機(jī)迫降后，在打開(kāi)或破拆飛機(jī)座艙蓋的前提下，用最短的時(shí)間協(xié)助受傷飛行員脫離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙，并送入救護(hù)車(chē)。

救護(hù)裝置主要用于遇險(xiǎn)飛行員昏迷或無(wú)法自主行動(dòng)時(shí)的救援。受限于機(jī)場(chǎng)保障條件，本裝置設(shè)計(jì)為無(wú)動(dòng)力操作方式，吊救勞動(dòng)負(fù)荷較外接動(dòng)力方式更大。因需要牢固穩(wěn)定的支撐面，適合在機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行救援操作。

1.2 基本功能

救護(hù)裝置平時(shí)置于外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)，遇險(xiǎn)時(shí)隨救護(hù)車(chē)到達(dá)遇險(xiǎn)飛機(jī)旁，在無(wú)動(dòng)力條件下由3人操作快速展開(kāi)，將受傷飛行員吊離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙，并利用救護(hù)車(chē)內(nèi)現(xiàn)有擔(dān)架送入救護(hù)車(chē)。救護(hù)過(guò)程中可有效防止遇險(xiǎn)飛行員的二次受傷。撤收后，本裝置放回外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)備用。

2 總體設(shè)計(jì)

救護(hù)裝置采用可伸縮登機(jī)梯、柱式吊救系統(tǒng)和保護(hù)背板為一體的梯吊組合式結(jié)構(gòu)（如圖1、2所示）。展開(kāi)高度2 500～3 700 mm可調(diào)，收攏尺寸2 100 mm×600 mm×300 mm，可在外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)存放（如圖3所示）。救護(hù)裝置質(zhì)量為29 kg，主要由伸縮梯、吊救系統(tǒng)、保護(hù)背板、支撐防滑墊、可調(diào)防滑墊、掛鉤以及絞盤(pán)7個(gè)部分組成。

圖1 梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置展開(kāi)圖

圖3 梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置收攏狀態(tài)示意圖（單位：mm）

2.1 伸縮梯的設(shè)計(jì)

伸縮梯主體材料選擇鋁合金和碳纖維材料，由主梯、伸縮副梯、側(cè)梯（2個(gè)）、外置彈簧定位裝置、絞盤(pán)固定座組成（如圖4所示）。整體承重大于300 kg。

圖4 伸縮梯主梯結(jié)構(gòu)示意圖

主梯采用槽鋁結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。伸縮副梯和側(cè)梯采用碳纖維材質(zhì)，具有質(zhì)輕堅(jiān)固、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等特點(diǎn)[8]，可以滿(mǎn)足救護(hù)裝置質(zhì)量和強(qiáng)度要求。在側(cè)梯上加裝吊桿用于吊救飛行員。外置彈簧定位裝置用于伸縮梯不同尺寸的定位，能夠直接目視定位，方便快捷。收攏后伸縮梯尺寸滿(mǎn)足外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)存放要求。

圖2 梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置外形圖（單位：mm）

2.2 吊救系統(tǒng)

吊救系統(tǒng)加裝于側(cè)梯2頂端，主要功能是將受傷飛行員由座艙內(nèi)吊救至座艙邊緣，主要由吊臂、吊桿、斜支撐、底座、滑輪以及內(nèi)部棘輪組成（如圖5所示），主體采用碳纖維復(fù)合材料及鋁合金材料。吊桿展開(kāi)高度約1 300 mm，吊臂長(zhǎng)度≥300 mm，起吊質(zhì)量≥100 kg，吊鉤距座艙邊緣的距離≥1 200 mm，滿(mǎn)足吊救受傷飛行員出艙的高度要求。

圖5 吊救系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 保護(hù)背板

保護(hù)背板主要用于遇險(xiǎn)飛行員吊救出艙過(guò)程中固定并保護(hù)頸椎、脊椎，防止遇險(xiǎn)飛行員二次受傷。保護(hù)背板采用碳纖維復(fù)合材料，背部設(shè)防脫軌道以保證保護(hù)背板在主梯內(nèi)滑動(dòng)不會(huì)脫離。背板兩側(cè)分別設(shè)置頭、肩、腰部固定帶，腋下和臀部設(shè)置吊帶（如圖6所示）。使用時(shí)，操作人員將保護(hù)背板從座椅和飛行員背部插入，用頭、肩、腰固定帶對(duì)飛行員進(jìn)行固定。腋下吊帶和臀部吊帶用于起吊飛行員，吊帶上設(shè)計(jì)有掛鉤，可以與吊救系統(tǒng)即鋼繩上的掛鉤連接，方便起吊飛行員。

圖6 保護(hù)背板示意圖

2.4 防滑墊

防滑墊固定于救護(hù)裝置最下端，采用型材加橡膠結(jié)構(gòu)。防滑墊具有增大與地面摩擦功能，以保障救護(hù)過(guò)程的穩(wěn)定性；還具有高度調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)高度約40 mm。

2.5 絞盤(pán)

絞盤(pán)固定在主梯左側(cè)，通過(guò)絞盤(pán)帶動(dòng)鋼繩、掛鉤將飛行員吊救出艙。絞盤(pán)內(nèi)部采用齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以增大救護(hù)人員輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)快速吊起飛行員。絞盤(pán)橫向牽引500 kg，垂直吊重150 kg，傳動(dòng)比為4.2∶1，繩索采用鋼絲材質(zhì)。

3 力學(xué)分析

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)技術(shù)要求，救護(hù)裝置展開(kāi)最大高度為3700mm，吊救系統(tǒng)模擬起吊150 kg重物，伸縮梯模擬承重300 kg。通過(guò)NX12.0進(jìn)行有限元仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果，節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力為588.24 MPa（如圖7所示），超過(guò)碳纖維復(fù)合材料7075-T6的屈服強(qiáng)度（505 MPa）。經(jīng)分析，模型節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力是由于模型缺少圓角導(dǎo)致的應(yīng)力集中，所以將模型改進(jìn)，增加圓角，結(jié)果最大應(yīng)力為396.39 MPa（如圖8所示），小于碳纖維復(fù)合材料7075-T6的屈服強(qiáng)度。在工作狀態(tài)下模型應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，所產(chǎn)生的形變屬于線彈性形變，整體結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)前模型

圖8 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后模型

3.2 極限承重分析

以2名救護(hù)人員及遇險(xiǎn)飛行員同時(shí)在救護(hù)裝置一側(cè)的極限工作狀態(tài)，通過(guò)NX12.0對(duì)救護(hù)裝置展開(kāi)最大高度下450 kg承重進(jìn)行仿真分析，結(jié)果最大應(yīng)力為322.67 MPa，小于碳纖維復(fù)合材料7075-T6的屈服強(qiáng)度（505 MPa），救護(hù)裝置安全。應(yīng)力結(jié)果圖如圖9所示。

圖9 極限承重分析應(yīng)力結(jié)果圖

3.3 側(cè)翻穩(wěn)定性分析

救護(hù)裝置的工作狀態(tài)主要包括0°工作狀態(tài)和吊救出艙時(shí)的90°工作狀態(tài)，如圖10、11所示。在0°工作狀態(tài)即飛行員起吊過(guò)程中，重力G1為飛行員質(zhì)量，重力G2和G3為2名救援人員質(zhì)量，其中G2+G3>G1，起吊力臂L1M飛，即救護(hù)人員的力矩大于飛行員力矩，在起吊過(guò)程中不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。在90°工作狀態(tài)即飛行員起吊過(guò)程中，重力G1為飛行員質(zhì)量，重力G2和G3為2名救護(hù)人員質(zhì)量，在90°吊救時(shí)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量均在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)內(nèi)側(cè)，有G2×L2+G3×L3>G1×L1，所以在吊救過(guò)程中不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

圖10 0°工作狀態(tài)圖

圖11 90°工作狀態(tài)圖

3.4 關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力校核

3.4.1 銷(xiāo)軸跟部應(yīng)力

吊救系統(tǒng)與伸縮梯采用40Cr銷(xiāo)軸連接，應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生在銷(xiāo)軸根部位置。根據(jù)仿真分析結(jié)果，銷(xiāo)軸根部應(yīng)力為432 MPa。40Cr材料屈服強(qiáng)度為785 MPa，剪切強(qiáng)度為800 MPa，銷(xiāo)軸根部應(yīng)力均小于40Cr材料屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，銷(xiāo)軸連接處在吊救過(guò)程中安全。

3.4.2 支座應(yīng)力

吊救系統(tǒng)加裝在側(cè)梯上，其關(guān)鍵部件是支座。在吊救系統(tǒng)起吊150 kg重物時(shí)，根據(jù)仿真結(jié)果在支座處應(yīng)力最大為337.28 MPa。支座采用7075T6材料，屈服強(qiáng)度為505 MPa，在實(shí)施吊救過(guò)程中支座應(yīng)力為337.28 MPa<505 MPa，吊救系統(tǒng)不會(huì)被破壞。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

4.1 登機(jī)梯的改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)遇險(xiǎn)飛行員實(shí)施救護(hù)，首先是借助有效裝置實(shí)現(xiàn)救護(hù)人員快速靠近座艙。2003年張國(guó)民等[5]研制的遇險(xiǎn)急救設(shè)備采用梯子、吊救、擔(dān)架為一體結(jié)構(gòu)，梯子由主梯、副梯和側(cè)梯組成，自制的擔(dān)架嵌入梯子槽內(nèi)，施救時(shí)將受傷飛行員從座艙拽出放到擔(dān)架上并固定，然后從梯子上滑下。其主要問(wèn)題是在應(yīng)用于座艙高度較高的飛機(jī)時(shí)，由于跨度大，梯子變形明顯；且整體質(zhì)量偏大，不便于攜行。2008年韓學(xué)平等[3]研制的專(zhuān)用救護(hù)設(shè)備配備了2架竹節(jié)梯，主要用于救護(hù)人員從飛機(jī)座艙兩側(cè)登機(jī)，實(shí)施飛行員保護(hù)背板的固定和起吊的連接，飛行員出艙由吊車(chē)完成。該救護(hù)設(shè)備整體為掛車(chē)設(shè)計(jì)，攜行受限且操作過(guò)程復(fù)雜。本研究將強(qiáng)度、質(zhì)量適宜的碳纖維和鋁合金作為救護(hù)裝置的主要材料，質(zhì)量控制在30 kg以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足便攜和強(qiáng)度要求。采用副梯上下抽拉、側(cè)梯左右移動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用碳纖維掛鉤將副梯鉤掛飛機(jī)座艙外緣的方式，解決了登梯時(shí)梯子變形較大問(wèn)題，確保了吊救過(guò)程的安全性。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既滿(mǎn)足快速展收，又滿(mǎn)足收攏后可放置在外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)的要求。

4.2 吊救系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

飛機(jī)座艙空間狹小，救護(hù)人員站在梯子上或座艙邊緣很難將傷勢(shì)較重或昏迷飛行員抬出座艙，因此，受傷飛行員快速脫離遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙是搶救的關(guān)鍵。2008年張若東等[6]研制的遇險(xiǎn)急救設(shè)備采用在梯子一側(cè)上端插入吊桿，使用時(shí)展開(kāi)吊桿，吊桿頂端的吊鉤與捆綁飛行員的吊帶相連，轉(zhuǎn)動(dòng)梯子下端固定的絞盤(pán)將飛行員吊起協(xié)助其出艙。因吊救受傷飛行員出艙的角度和高度不夠，只能在救護(hù)人員協(xié)助下搭拽飛行員出艙。2005年王正華等[9]研制的新型飛機(jī)飛行員應(yīng)急離機(jī)裝置采用三腳架式吊救系統(tǒng)吊救飛行員出艙，方法可行，但該裝置操作復(fù)雜、便攜性差。2007年由俊生等[10]研制的新型機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用救護(hù)車(chē)采用救護(hù)人員乘坐吊籃形式吊救飛行員出艙，該車(chē)成本過(guò)高、無(wú)車(chē)輛編制且需要專(zhuān)業(yè)人員操作。2016年為解決艦載機(jī)遇險(xiǎn)后飛行員搶救，王偉等[11]研制了飛行員快速離機(jī)與救護(hù)裝備，采用升降平臺(tái)加載電動(dòng)吊臂吊救飛行員出艙，雖然解決了車(chē)輛編制問(wèn)題，但同樣存在成本高、操作復(fù)雜等問(wèn)題。

綜合分析上述裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的梯、吊、擔(dān)架結(jié)合的救護(hù)裝置吊救過(guò)程不能有效防止飛行員二次受傷，車(chē)載吊救可有效防止飛行員二次受傷，但大多采用汽車(chē)加改裝、拖車(chē)、升降機(jī)等，存在成本高、車(chē)輛編制難以解決以及操作復(fù)雜等問(wèn)題。本救護(hù)裝置采用梯子和吊桿結(jié)合形式，可以有效解決以上問(wèn)題。

4.3 保護(hù)背板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

飛機(jī)迫降后，飛行員可能發(fā)生脊柱、頸椎、四肢骨折和軟組織傷，重者可出現(xiàn)昏迷。為防止在搶救飛行員脫離座艙的過(guò)程中造成飛行員頸椎、脊柱的二次受傷必須配備硬質(zhì)脊柱保護(hù)背板。以往的飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置中，除了2003年張國(guó)民等[5]研制的遇險(xiǎn)急救設(shè)備沒(méi)有保護(hù)背板外，其余多數(shù)采用玻璃鋼脊柱保護(hù)背板。本裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)使用碳纖維制成保護(hù)背板，在滿(mǎn)足保護(hù)要求的前提下減輕了質(zhì)量，便于攜帶。

5 作業(yè)流程

本救護(hù)裝置平時(shí)放入外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)，救護(hù)傷員時(shí)按照?qǐng)D12的流程操作。3名救護(hù)人員分別從救護(hù)車(chē)上快速攜帶本裝置和擔(dān)架（原救護(hù)車(chē)標(biāo)配）到遇險(xiǎn)飛機(jī)座艙一側(cè)；展開(kāi)登機(jī)梯，選擇適宜高度并固定，打開(kāi)伸縮副梯和側(cè)梯，展開(kāi)吊桿，調(diào)整絞盤(pán)，從主梯登機(jī)，將梯子上端與座艙邊緣固定；利用保護(hù)背板在座艙內(nèi)對(duì)受傷飛行員進(jìn)行固定，并將4條吊帶與吊鉤相連，操作絞盤(pán)起吊飛行員放到主梯上滑下，最后放置在擔(dān)架上送入救護(hù)車(chē)。

圖12 救護(hù)作業(yè)流程

6 試用效果

完成樣機(jī)研制后，利用自制的高度為3 700 mm的模擬座艙（如圖1所示）進(jìn)行功能性能驗(yàn)證。按照?qǐng)D12所示流程進(jìn)行遇險(xiǎn)飛行員救護(hù)操作，結(jié)果3名經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的救護(hù)人員能在規(guī)定的3 min內(nèi)展開(kāi)救護(hù)裝置；伸縮梯能滿(mǎn)足座艙高度要求；保護(hù)背板使用簡(jiǎn)便、快捷，在吊救系統(tǒng)協(xié)助下可將模擬遇險(xiǎn)受傷飛行員吊離座艙。救護(hù)裝置收攏后可放入外場(chǎng)救護(hù)車(chē)內(nèi)。

從試用效果分析，本救護(hù)裝置存在以下問(wèn)題：（1）本裝置雖滿(mǎn)足單人攜行的勤務(wù)要求，但總體結(jié)構(gòu)顯得單薄，整個(gè)救護(hù)過(guò)程梯子頂端掛鉤必須牢固掛在飛機(jī)座艙邊緣；（2）吊出飛行員后，背板很難控制在梯子凹槽內(nèi)，需要救護(hù)人員協(xié)助緩慢向下移動(dòng)；（3）本裝置使用前必須進(jìn)行培訓(xùn)，確保救護(hù)人員不僅熟練掌握使用要求，而且配合默契。

7 結(jié)語(yǔ)

梯吊組合式飛行員遇險(xiǎn)救護(hù)裝置采用梯吊結(jié)合形式，使用碳纖維和鋁合金為主體材料，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的情況下質(zhì)量更輕，便于攜行；展開(kāi)高度滿(mǎn)足高性能殲擊機(jī)要求，吊桿、梯子、掛鉤和座艙結(jié)合，既可防止登機(jī)梯跨度大承重時(shí)發(fā)生凹陷變形，又可增強(qiáng)吊救穩(wěn)定性；吊救系統(tǒng)和保護(hù)背板的配合使用不僅為防止遇險(xiǎn)飛行員二次受傷提供有效措施，而且可有效控制其出艙的速度和穩(wěn)定性。另外，本救護(hù)裝置在梯子和梯蹬連接處使用了螺栓固定，增加了對(duì)整體結(jié)構(gòu)維護(hù)和保養(yǎng)的要求，因此，該產(chǎn)品在交付部隊(duì)時(shí)，在產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)中需明確維護(hù)保養(yǎng)要求，并配備相應(yīng)的固定螺栓和專(zhuān)用工具。

在實(shí)際試用過(guò)程中，本裝置存在手搖吊救速度慢、支撐角度調(diào)整不方便的問(wèn)題。下一步工作中，需考慮對(duì)絞盤(pán)內(nèi)齒輪比例進(jìn)行優(yōu)化，或者改為可變速齒輪比，根據(jù)施救者力量和被救者體質(zhì)量手動(dòng)調(diào)整齒輪比以提高吊救速度；另外，需對(duì)支撐防滑墊的調(diào)整方式進(jìn)行優(yōu)化，以提高本裝置的展開(kāi)速度。