直升機水下逃生訓練裝置研究進展

劉 偉，崔 嘉，張 毅

（海軍航空大學，山東煙臺 264001）

0 引言

直升機是常見的海上人員運輸平臺。據統計，2009—2013年間，僅墨西哥灣就有2307193名乘員通過直升機進行海上運輸[1]。與此同時，因飛行員失誤、惡劣天氣、機械故障[2]等原因造成的直升機海上事故也時有發(fā)生。2000—2012年間全球共發(fā)生98起直升機海上墜機事件，造成159人遇難，人員存活率僅為67．28%[3]。當直升機在水上發(fā)生墜機事故時，直升機的質心位置在下沉過程中不斷變化，極易發(fā)生翻轉[4]，使人迷失方向。據統計，2000—2014年間發(fā)生的106起直升機海上墜機事故中，101起事故（占95%）的直升機在墜海不久后發(fā)生翻轉沉沒[5]。另外機上人員還會面臨其他難以預料的險情，如直升機墜水時的瞬間沖擊力、落水人員在水中視力受損、無法及時打開應急出口、水中憋氣能力差以及入水后的恐懼心理[6]等，這些因素都可能導致機上人員無法及時逃出直升機機艙，從而直接溺亡[7]。

為解決直升機落水人員的逃生問題，提高其生存概率，許多行業(yè)機構和軍事組織要求海上飛行人員上崗前需接受直升機水下逃生訓練（helicopter underwater escape training，HUET）。據美國海軍安全中心調查，沒有接受過HUET培訓的人員在直升機墜水事故中的死亡率高達27%，而接受過HUET培訓的人員死亡率則為8%左右[8]，由此可見，HUET對提升直升機人員在應急狀態(tài)下的自救能力、增強水下逃生信心、提高落水人員生存率方面具有重要作用[9]。目前，針對HUET的研究主要集中在HUET裝置、HUET流程、乘員在水下的呼吸動作、HUET相關制度等方面，其中以HUET裝置的研究最為集中。鑒于此，本文就HUET裝置的研究進展展開綜述，并結合目前存在的問題，對未來的研究方向進行展望。

1 國內外研究進展

1.1 國外HUET裝置研究進展

自1912年發(fā)生第一起飛機水上迫降事件以來，美國海軍便開始重視飛機落水后的人員自救問題[10]。1944年，工程師Kaneb為美國海軍設計了第一個飛行員HUET裝置Dilbert Dunker[11]（如圖1所示）。Dilbert Dunker可以為單個飛行員提供座位，當裝置入水時，會發(fā)生翻轉，飛行員需要克服水的瞬時沖擊力以及機艙翻轉帶來的方向迷失等困難從水下逃生，這是目前已知最早的HUET裝置。但Dilbert Dunker裝置只是針對單個飛行員訓練，不涉及后艙人員，訓練效率低，另外它不能像直升機一樣橫向轉動。為了解決上述問題，1974年美國海軍推出了HUET裝置Burtech 9D5[12]（如圖2所示）。Burtech 9D5訓練艙不模擬任何特定的直升機，只是設置了通用的駕駛艙和后艙，一次最多可同時訓練6名機組人員。

圖1 第一個飛行員HUET裝置Dilbert Dunker[11]

圖2 HUET裝置Burtech 9D5[12]

到20世紀80年代中期，隨著海上石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展，HUET裝置在民用領域變得越來越普遍。1986年Survial Systems有限公司建造了更先進的HUET模擬裝置[13]（如圖3所示），它可以模擬直升機失事墜海的全過程，實現模擬艙下降、入水、翻轉、上浮等功能。除此以外，該裝置還可以根據不同機型改變艙內結構，應用更為廣泛。2008年芬蘭Lambor Subsea公司生產了全姿態(tài)訓練模擬裝置MWH-6[14]（如圖4所示）。MWH-6為球形結構，利用2個不同方向的轉軸，可實現水平和垂直2個方向上的翻轉運動。另外，其模擬器上方帶有一個易斷閥，可以在短時間內使機艙處于自由落體狀態(tài)，從而更真實地模擬飛機撞擊水面的過程，使訓練效果更加理想。

圖3 Survial Systems有限公司建造的HUET模擬裝置[13]

圖4 全姿態(tài)訓練模擬裝置MWH-6[14]

目前國外已經形成滿足各類直升機使用的HUET裝置以及專業(yè)的培訓機構。自1984年以來，每年有3000～5000人參加加拿大Survial Systems有限公司組織的HUET培訓[15]，相關HUET裝置也得到廣泛應用。2009年，一架載有18人的美洲獅直升機在紐芬蘭外海發(fā)生事故，隨即墜海，事故共造成17人死亡，僅1人在水中從機艙逃生成功[16]。事故發(fā)生后，專家開始針對機艙內的安全帶、座椅、打開逃生出口的方式等方面進行針對性研究，為了提高訓練效果，設計并生產了新一代高保真逃生訓練裝置[16]。2019年，SEFtec公司為卡塔爾特種部隊生產了最先進的高保真逃生訓練裝置XO-139[17]（如圖5所示），它精確復制了AW-139直升機的內部布局，每條逃生路線與實際飛機完全一致，出口、座位甚至天花板的高度都可以進行調整，以滿足機型的內部特點，提高HUET模擬器的逼真度。

圖5 高保真逃生訓練裝置XO-139[17]

1.2 國內HUET裝置研究進展

相較于國外來說，我國對HUET裝置的研究起步相對較晚。20世紀90年代初，我國開始進行直升機水上迫降問題的研究。張慶明[18]的研究指出，沒有水上飄浮裝置的直升機在打開艙門的情況下，10 s內就會充滿水并下沉，因此飛行人員需要掌握正確的逃生方法以及穿著專用的設備。海軍醫(yī)學研究所[19-22]對直升機乘員水下逃生裝備和逃生方案進行了系統研究，通過多次水下逃生試驗，得出相關試驗數據，并制定了《直升機乘員水下逃生規(guī)范》標準，規(guī)范了水下逃生裝備、逃生基礎知識、離機注意事項等內容。李全等[22]研究分析了HUET裝置的現實需求，并針對直升機墜水過程提出了HUET裝置的初步設計方案。

中海油已在天津市和湛江市建立了具備一定訓練能力的水下逃生訓練基地（如圖6所示）[23]，設計并生產了能滿足要求的HUET裝置，形成了完整的訓練流程，同時還將直升機遇險水下逃生訓練納入了《海洋石油安全管理細則》，規(guī)定參與海上飛行的人員必須參加HUET培訓。2017年，熊偉等[24]仿照S-76C+救助直升機機艙自主研制了一種HUET裝置，并對交通運輸部救助飛行隊的機組人員進行HUET培訓，取得了良好的效果。2018年，王敬良等[25]從愛爾蘭國家海事學院引進符合國際標準的HUET裝置，并強化實訓設備建設，設計了游泳池水溫控制系統、模擬器訓練移動吊車、造消波系統、雷電模擬系統等。

圖6 中海油水下逃生訓練基地[23]

雖然我國已開展多項HUET裝置的研究與實踐工作，能夠生產出滿足基本訓練要求的水下逃生裝置，但是目前符合國際標準的HUET裝置還需從國外引進，我國裝置的設計理念與國外相比還存在較大差距，產品的功能性、安全性還需進一步提高。

2 HUET裝置關鍵部件

現階段，圍繞HUET裝置的相關研究主要集中在以下幾點：（1）研究訓練模擬艙的結構，使其更易體現現役直升機的機型特點；（2）研究訓練模擬艙的姿態(tài)控制部件，使其易于控制且能更真實反映直升機的墜水過程；（3）研究逃生出口，使落水人員能快速逃離沉沒的機艙；（4）研究水下逃生燈，避免落水人員因方向感迷失無法逃離機艙；（5）研究水下呼吸器，延長落水人員的水下生存時間，避免溺亡的發(fā)生。

2.1 訓練模擬艙結構

訓練模擬艙是開展水下逃生訓練的核心部件，其結構對逃生訓練效果具有重要作用。目前訓練模擬艙的結構主要有圓柱體結構（如Survial Systems有限公司制造的HUET模擬裝置）、球形結構（如MWH-6）、長方體結構（如XO-139）等3種形式，其中長方體結構訓練模擬艙如圖7所示[26]。圓柱體結構是目前最常用的訓練模擬艙結構形式，這種結構形式可以更加真實體現現役直升機的外形結構特點，其艙門、窗口布置、出口打開方式與現役機型最為相似。另外圓柱體結構可以更方便地布置外側的翻轉滑軌，并利用自身重力變化實現翻轉運動，使模擬訓練更為簡單。

圖7 長方體結構訓練模擬艙[26]

2.2 訓練模擬艙姿態(tài)控制部件

訓練模擬艙墜水時，需要實現下沉、翻轉、上浮等動作，其中最重要的是翻轉運動。目前控制模擬艙翻轉的方法有2種，一種是通過改變模擬艙的質量分布，使模擬艙的重心與旋轉作用點不在同一個豎直平面上，從而產生一個力矩使模擬艙轉動。以模擬器MWH-6為例，其底部存在4個壓載水艙，利用控制器可以使水艙充水與放水。當模擬艙下沉時，上方固定吊點處開關設置為關閉狀態(tài)，左邊壓載水艙為空載狀態(tài)，右邊壓載水艙為滿載狀態(tài)，此時由于右側壓載水艙重力的存在，會產生一個順時針的力矩，當模擬器MWH-6到達水面時，打開吊點處開關，此時模擬艙沿著順時針方向旋轉，原理圖如圖8（a）所示。當模擬艙到達一定水深位置，此時左邊壓載水艙為空載狀態(tài)，在水中受到一個向上的浮力，繼續(xù)驅動模擬艙按順時針方向旋轉，原理圖如圖8（b）所示。當模擬艙旋轉180°時，關閉上方固定吊點處開關，模擬艙為倒立靜止狀態(tài)，此時受訓人員便可從倒立的模擬艙中逃生。當模擬艙吊起時，模擬艙在重力作用下產生逆時針的力矩，使模擬艙逆時針旋轉，回到初始狀態(tài)后，關閉固定吊點開關[如圖8（c）所示]。另一種控制方式為電動控制法，將模擬艙轉動軸與外接電動機轉軸相固定，通過控制電動機便可以實現模擬艙的下降、旋轉等功能，完成直升機墜水過程的模擬。

圖8 訓練模擬器MWH-6內部艙室翻轉運動原理圖

目前世界各國已有33種以上不同類型的模擬艙，其中最常用的方式為配重法，即通過改變壓載水艙狀態(tài)或者增加配重塊的方式改變重心位置，這種方式成本相對低廉，控制簡單。

2.3 逃生出口

直升機失事墜水后，直升機乘員需要采取合適的逃生方式，快速打開座椅安全帶，從正確的逃生出口逃離沉沒的直升機機艙，以獲取生存的可能，因此逃生出口成為影響水下快速逃生速度的主要因素。

直升機上的逃生出口可以是機艙門，也可以是窗戶，但是對于不同的機型，逃生出口的位置、結構往往不同，因此推開出口所需的力也是不同的，需要對不同機型的逃生出口進行測試以確定能推開出口的最小受力位置。除此以外，人所處的位置以及推開出口的方式不同，推開逃生出口的難易程度也不同[27-28]，因此需要在訓練過程中設計合適的逃生出口，并且要求打開逃生出口的方式必須簡單，不需要費力，基于上述原因，大部分的直升機逃生出口都是“推出”式結構。

2.4 水下逃生燈

當直升機墜水時，極易翻轉下沉，此時人處于黑暗、屏氣、倒置的封閉環(huán)境中，沒有任何視覺參考點，容易產生強烈的方向感迷失[29-30]，因此乘員在水下逃生過程中，需要掌握水下定向的方式。

目前常用的水下定向方式是在機艙內部設置一個指示方向的參考物，即水下逃生燈[31]。當直升機發(fā)生事故后，水下逃生燈可以自動啟動，并閃爍發(fā)光，艙內人員沿著水下逃生燈指示方向找到安全出口，即可安全逃生。

2.5 水下呼吸器

一旦直升機墜水，一系列不利因素會對乘員生理產生很大的影響，如直升機突然墜入水中導致的應激反應，冷水灌入下沉的直升機帶來的高壓、寒冷，螺旋槳入水時產生的噪聲，直升機快速墜水導致乘員嗆水等[32]，這些因素都能導致乘員在水中淹溺，而不能成功從機艙中逃生。

墜水人員在水下的呼吸時間受水的深度、人員自身的緊張程度、呼吸動作的規(guī)范性以及所處位置海水的溫度等諸多因素影響。墜水人員在不運動的狀態(tài)下，在24℃水中，屏氣時間大概為37 s[33]，并且寒冷的水下環(huán)境、墜水人員心理狀態(tài)等因素使其在水下屏氣時間減少[34]。而在直升機水下逃生過程中，墜水人員需要完成解脫、定向、打開出口等動作，沒有充足的水下生存時間無法完成。因此設計可以用來延長水下生存時間的設備變得尤為重要。

圖9為用于水下應急呼吸的逃生氣瓶[35]，它可以提供42.5 L的壓縮空氣，這些空氣可以使人在水下緩慢呼吸2 min（大約呼吸21次）。當直升機發(fā)生墜水事故后，艙內人員可以在水下使用逃生氣瓶，延長墜水人員在水下的存活時間，同時使墜水人員保持鎮(zhèn)定，更易找到逃生的出口，大大增加了水下逃生概率[36]。

圖9 逃生氣瓶及其佩戴方式示意圖[35]

3 問題與展望

近年來，直升機的安全問題越來越受到重視，HUET已成為從事海上飛行人員的必修科目。但直升機水下逃生受到多種因素影響，如機艙狀態(tài)、座椅、出口等[37-38]，因此需要研究并設計更為有效的HUET裝置，提高受訓人員落水后的應急處置能力。隨著HUET裝置研究的不斷深入，仍然存在著一些值得關注的問題。

（1）不同機型的直升機，其艙門的位置、尺寸、打開方式，座椅數量、種類，安全帶系留方式，乘員的逃生路線等都存在差異，這些差異都會對乘員安全逃生產生影響。因此，HUET裝置應與實際直升機外形尺寸和機艙內部布局相同，即應按照1∶1比例制作。同時針對不同機型的直升機，應設計與之相對應的模擬訓練裝置，以滿足各類人員的訓練需求。

（2）目前常用逃生通過率來判斷逃生效果，根據相關研究，HUET通過率高達99．28%[9]，但這種方式并不能綜合反映墜水人員水下逃生的能力。應將實時監(jiān)測系統運用到HUET裝置中，利用水下視頻監(jiān)測設備，多角度監(jiān)測受訓人員在整個訓練過程的實時動作，通過視頻傳輸和記錄功能，訓練考核人員可以通過顯示終端隨時監(jiān)測訓練過程，經綜合判斷，針對性提出訓練建議，使HUET裝置的功能不斷完善。

（3）在水下逃生訓練過程中，HUET裝置的運行狀況、水下環(huán)境、墜水人員的心理以及墜水人員的身體狀況都會對受訓人員快速解開安全帶、打開逃生出口產生影響。在HUET過程中，一旦發(fā)生危險，將會造成人員傷亡，因此HUET裝置的設計應更加重視裝備的安全性。通過在機艙內增加應急刀、留有備用的逃生出口、采用密度更輕的材料等方式優(yōu)化HUET裝置的設計，防止危險發(fā)生，不斷提高裝置使用的安全性。

4 結語

隨著國內外水上飛行訓練任務逐漸增加，HUET裝置的開發(fā)研究也變得越來越迫切。本文分析了目前HUET裝置的研究進展和關鍵部件，并結合現狀，指出HUET裝置的研究應朝著高逼真度、多功能性、更加安全的方向發(fā)展。本研究可以為HUET裝置的研究提供理論基礎和技術支撐，對推動水下逃生訓練的開展具有現實的指導意義。