某型國產彈射救生裝備安全救生性能改進設計

顧占波　張德軍

【摘 要】航空彈射救生裝備是飛行員應急救生的唯一的方法和手段。針對國產某型彈射救生裝備不能實現(xiàn)無延遲彈射和“0-0”彈射救生問題，進行了一系列設計和改進，旨在使該型號設備能夠實現(xiàn)低空不利姿態(tài)下安全救生，保證飛行員安全離機。

【關鍵詞】微型爆破索；塑料導爆管；應急彈射救生；彈射座椅

0 引言

航空彈射救生裝備是空勤人員生命保障系統(tǒng)的一個重要組成部分。航空事業(yè)的迅速發(fā)展，尤其是飛行員的應急救生，對航空彈射救生裝備的要求越來越高，其中縮短彈射離機延遲時間是迫切需要解決的問題。

據(jù)統(tǒng)計，1960年以來，飛機應急情況下飛行員彈射死亡原因中，不利姿態(tài)下的低空彈射占47.5%，美國1967～1979年統(tǒng)計彈射死亡原因中低空占60%。由此可見縮短彈射離機延遲時間是解決救生問題尤其是低空救生問題的一條主渠道。

以高壓燃氣拋蓋動作筒為動力裝置，高壓燃氣為能源的拋蓋系統(tǒng)，因其在座艙蓋飛出前，座椅不得啟動，這就延遲了0.5 s左右的彈射時機，降低了彈射成功率，尤其對低空救生不利。

穿蓋彈射可實現(xiàn)無延遲彈射。但進行穿蓋彈射的條件是座艙蓋玻璃為非定向玻璃并且厚度在10 mm以下，否則將造成飛行員脊椎損傷，艙蓋玻璃裂口也極有可能損傷飛行員的裝備和身體。這就造成了穿蓋彈射的局限性。

塑料導爆管和飛機座艙蓋微型爆破索系統(tǒng)的發(fā)明，實現(xiàn)了航空救生技術的另一種無延遲彈射，即在座椅啟動彈射時，通過聯(lián)動裝置啟動塑料導爆管，再通過塑料導爆管的爆轟沖擊波來激發(fā)微型爆破索來爆破座艙蓋玻璃，清除彈射通道上的障礙物，實現(xiàn)座椅的無延遲彈射。英國的鷂式飛機和美國的F-16飛機都成功地采用了這兩種技術。

本文針對某型國產火箭彈射座椅的延遲特點，應有這兩種技術做了一下探討，使該型座椅在不改變基本結構的前提下實現(xiàn)無延時彈射和“0-0”（零高度-零速度）彈射救生。

1 某型國產火箭彈射座椅的工作過程及存在問題。

1.1 工作過程

應急情況下，當飛行員決定彈射離機時，雙手提拉中央主彈射拉環(huán)，經(jīng)1號傳動鋼索傳動聯(lián)動機構動作筒向下運動，通過2號傳動鋼索先拉動鋼索解脫器，帶動3號拋蓋鋼索拉動拋蓋燃爆器打火工作，拋掉座艙蓋，拉出空中保險鋼球，解除彈射器的空中保險。動作筒繼續(xù)向下運動，拉桿帶動彈射器5號鋼索，拉出撞針臂擊發(fā)椅彈，在火藥氣體作用下，彈射器帶動人和座椅一起向上運動彈離座艙。

1.2 存在問題

該型火箭彈射座椅采取先拋蓋后彈射的工作程序，使得拋蓋前彈射器不能打火工作，產生了0.5s左右的彈射延遲時間，這對彈射前瞬息萬變的情況來說顯得太長，嚴重影響了設備的救生性能。當飛機在起飛、著陸速度小于250km/h因故彈射跳傘時，使得該型座椅沒有達到世界先進國家最起碼的“0-0”指標要求。針對該型座椅在彈射離機時存在的問題，有必要對其進行改進，使其能達到無延遲彈射和“0-0”彈射救生。

2 裝備救生性能改進方案

2.1 改進的簡要介紹

針對該型彈射座椅拋蓋彈射的延遲時間長和不能實現(xiàn)“0-0”彈射的特點，做了一系列改進。改進的內容有：

（1）在座艙蓋玻璃上鋪設微型爆破索；

（2）去掉拋蓋燃爆器換成1號起爆裝置；

（3）去掉聯(lián)鎖裝置；

（4）增設2號起爆裝置。

改進后系統(tǒng)采用拉中央主彈射拉環(huán)操縱座艙蓋爆破系統(tǒng)工作。為確保座艙蓋爆破成功，系統(tǒng)采用了兩套座艙蓋起爆裝置。

座艙蓋爆破原理框圖如圖1所示。

圖1 座艙蓋爆破原理圖

Fig.1 Schematic diagram for canopy blasting

通過提拉中央主彈射拉環(huán)使1號起爆裝置打火，并使座椅彈射器工作，座椅彈離座艙的過程使2號起爆裝置打火。起爆裝置分別引爆導爆管，進而起爆微爆索，使座艙蓋爆破。

改進后系統(tǒng)對座椅彈射后的工作程序無任何改變。采用彈射與清除彈射通道障礙物同步進行的工作方式，既實現(xiàn)了無延遲彈射，又能實現(xiàn)“0-0”救生，提高了救生能力。

2.2 微型爆破索

微型爆破索是一種含有猛炸藥的柔性細索，是一種具有爆破作用的導爆索。起爆后，炸藥爆轟產物及沖擊波可將飛機座艙蓋玻璃切割和粉碎。

微爆索由索芯、索殼和套管組成。

索芯是一種高能猛炸藥黑索金，化學名稱是環(huán)三次甲基三硝銨，其主要性能如下：

密度：1.816g/cm

熔點：204℃

爆熱：1345kJ/kg

爆速：8705m/s

索芯直徑0.8 mm，黑索金裝填線密度約為1 g/m。

索殼外直徑約為0.8mm，材料為鉛銻合金，其斷面形狀可根據(jù)需要制作圓形、半圓形或人字形，在索芯外覆蓋一層鉛銻合金是為了使索芯在一定強度的金屬外殼作用下建立速度穩(wěn)定的爆轟。微爆索的爆轟速度一般不低于6500m/s。

套管是一種被套在索殼外表面上直徑約為3mm的硅橡膠管或聚烯烴管，用來增強機械強度和保證點絕緣。

2.3 塑料導爆管

2.3.1 塑料導爆管傳爆原理

塑料導爆管是一種內壁附有薄層混合炸藥的塑料軟管，能高速傳爆爆轟且沒有爆音。塑料軟管由高強度塑料或高壓聚乙烯制成。管內表面涂有一層由奧克托金和鉛粉組成的混合猛炸藥粉末。

傳爆原理：起爆時，由于起爆元件的作用，管腔內受到絕熱壓縮并出現(xiàn)沖擊波。腔內的粉末由于與內壁粘符力不強而脫落，炸藥粉粒產生相互碰撞，由于氣體間摩擦以及管壁的碰撞而局部升溫；另一方面受沖擊波壓縮而升溫升壓的管內氣體介質加熱與其相接觸的藥粒。于是藥粉發(fā)生爆炸，給沖擊波補充能量，使爆炸信號穩(wěn)定傳播。

2.3.2 塑料導爆管的性能

爆速：塑料導爆管的爆速隨內徑、藥粉粒度、藥量、環(huán)境溫度的改變而改變。內徑大、粉粒細、藥量多、環(huán)境溫度低則爆速高。在14℃條件下其爆速約為1950m/s。

起爆傳爆性能：塑料導爆管可用火帽、雷管、導爆索等起爆。具有良好的抗震動、抗沖擊、抗摩擦性能和抗靜電性；可以不受靜電、雜散電、感應電的干擾，安全地在強電磁環(huán)境中應用；可任意彎曲，傳爆線路不受彎曲半徑限制；爆速高，沒有雜音，體積小、重量輕，工作安全可靠。

因塑料導爆管具有以上優(yōu)越性能，因此可在航空救生技術上用來傳遞能量，激發(fā)火藥動力裝置的點火元件，也可用來引爆雷管使其它裝置起爆。

2.4 起爆裝置

改進后的起爆裝置由兩套組成，二者構造相同。1號起爆裝置由3號鋼索帶動打火起爆，2號起爆裝置在座椅上升過程中通過座椅滑軌頂壓打火搖臂使打火機構打火起爆。其構造如圖2所示。

圖2 打火機構

Fig.2 Firing device

平時，擊針彈簧被壓縮，擊針處于待發(fā)狀態(tài)。工作時，擊發(fā)銷被拉出，擊針在彈簧的作用下，撞擊針刺雷管，使雷管起爆。雷管的爆轟輸出可同時起爆導爆管的兩個自由端，使其工作。

2.5 微爆索的敷設和連接

2.5.1 敷設

微爆索在座艙蓋上的敷設不應影響飛行員的視線，其敷設方式由座艙蓋的形式及要求將玻璃爆破的程度決定。為了將微爆索固定在座艙蓋玻璃上，可將它夾在特殊的膠條中，然后使膠條平面粘貼在座艙蓋玻璃的內表面上。

根據(jù)爆炸物理學所闡明的爆炸凹槽聚能效應，可以將微爆索的橫截面制成帶凹槽的形狀（如人字形），這樣，在它與座艙蓋玻璃相連的一邊形成空穴稱為聚能槽。微爆索爆炸時聚能槽的爆炸產物沿軸向集中，形成能量密度很大的聚能射流，大大提高了對座艙蓋玻璃的爆破能力。同時還可以減小裝藥線密度，減小脈沖波輸出和脈沖噪音。

為了使座艙蓋玻璃爆破的粉碎（碎片小些），在不妨礙飛行員視野的前提下，可將敷設回路通過座艙蓋頂部，并將微爆索的兩個自由端通過連接接頭同導爆索相連。導爆管將爆轟信號傳人微爆索，爆轟即在微爆索中以不低于6500 m/s的速度傳播，使微爆索幾乎同時爆炸，座艙蓋玻璃在微爆索的定向爆破下變?yōu)椴Ａ槠蚺撏怙w散，從而清除了彈射通道上的障礙物。

2.5.2 連接

微爆索兩個自由端與導爆管的連接方式示意圖如圖3所示。兩個爆破裝置均可引爆微爆索。

圖3 微爆索與導爆管的連接

Fig.3 Connecting of micro blasting cable and detonating tube

2.6 改進后系統(tǒng)的工作過程

改進后系統(tǒng)的工作過程框圖如圖4所示。

圖4 改進后系統(tǒng)的工作過程框圖

Fig.4 Schematic diagram of improved system

當飛行員決定彈射離機時，雙手提拉中央主彈射拉環(huán)，經(jīng)1號傳動鋼索帶動彈射器5號鋼索，拉出撞針臂擊發(fā)椅彈，使座椅彈射機構工作，同時帶動3號鋼索，拔出了1號起爆裝置的擊發(fā)銷，釋放了擊針，擊針撞擊雷管使雷管起爆。爆轟波輸出立即使導爆管起爆，爆炸信號傳到微爆索，使其起爆，將座艙蓋玻璃切割并向艙外飛散。至此，彈射通道障礙物被清除，座椅即可順利上升，彈射離機。

如果1號起爆裝置起爆失敗，此時彈射器已打火，座椅已沿滑軌上升，它將擠壓2號起爆裝置的打火搖臂，使其工作，將起爆信號由另一導爆管支路引入爆破索，實現(xiàn)座艙蓋爆破。

在提拉中央主彈射拉環(huán)失效時，可直接握壓應急彈射手柄，而不必按改進前那樣先拉應急拋蓋手柄，即可完成彈射任務。

座椅彈出后，按原來的工作程序繼續(xù)工作，達到彈射救生的目的。

3 改進方案可行性分析

微爆索和導爆管應用在救生系統(tǒng)中是提高救生裝備性能的有效措施。但改進后，系統(tǒng)必須能夠可靠工作，且不能對飛行員造成任何傷害。

3.1 爆破作用不會傷害飛行員

微爆索對飛行員的危害主要來自沖擊波和脈沖噪聲。在沖擊波作用下，人體器官都可能受到損傷。脈沖噪聲可造成聽覺器官損傷和聽覺偏移。下列數(shù)據(jù)是座艙蓋微型爆破系統(tǒng)試驗測得的沖擊波超壓值和脈沖噪聲強度：

沖擊波超壓：P<79.43 KPa

脈沖噪聲

平均峰壓：170.3 dB

平均寬度：13.75 ms

這對戴頭盔的飛行員是安全的。

3.2 改進后系統(tǒng)工作可靠性分析

改進后座椅上升時從擠壓打火搖臂到座艙玻璃之前所用時間應大于2號起爆裝置起爆微爆索作用時間。由彈射運動方程：

md2x/dt2=AP-mgsinθ-Ft

因計算條件限制，無法準確計算出離機時間，但可以求出其極值。

假設座椅以彈射筒最大加速度（15g）上升，則離（下轉第174頁）（上接第170頁）機所用時間最短。如果在這種情況下有足夠時間保證2號起爆裝置起爆微爆索，則正常工作時，兩套起爆裝置一定有足夠時間引爆微爆索。

設座椅相對飛機上升時初速V=0、a=amax=15g=150m/s2，座椅啟動到打火搖臂拉出擊發(fā)銷時座椅的行程L=30mm，此時上升速度為V1：

則V1=3m/s

由微爆索性能可知，當溫度高于14℃時，則每升高1℃，傳爆速度降低5 m/s，取溫度為50℃，則導爆管和微爆索起爆所用時間為T（假設兩者的長度均為2 m），計算結果：

T=0.0014375s

則座椅以V1速度和T時間上升的高度為：

H=V1T+0.5at2

=3×0.0014375+0.5×150×0.00143752=4.5mm

由上面計算可知，導爆管和和微爆索起爆所用時間很短，在如此短的時間內，座椅上升高度極小，不會影響系統(tǒng)正常工作。

【參考文獻】

[1]沈爾康.航空彈射救生裝備[M].航空工業(yè)出版社，1988.

[2]沈衛(wèi)中.航空彈射救生系統(tǒng)[M].空軍第一航空學院，1994.

[3]陸安基，等.國外火藥性能手冊[M].兵器工業(yè)出版社，1991.

[責任編輯：楊玉潔]