一種客機空中救生體系

張 宇 張恩群

(1. 江西農業大學，南昌 330000； 2. 山東礦業學院，泰安 271000)

0 引言

目前，客機空難救生只有一種先迫降后救生的被動的地面救生方式[1]，但應急迫降極易失敗且會導致嚴重的人員傷亡。據了解，空難死亡率高達70%以上，為改變這種局面，民航界提出了空中救生設計和構想，如“客艙分離式”[2]、“彈射座椅式”[3]、“軌道座椅式”[4]等。但這些設計把大部分救生載荷浪費在“客艙”、“座椅”等部件上，從而增大了無效救生載荷，使有效救生載荷占比很少；過多的無效載荷既增加了運營成本，且對客機的結構性、穩定性、安全性造成不同程度的影響[5]，無法用于實際。通過對越洋航空236號事件[6]、大阪空難123號事件[7]、尼日利亞航空2120號班機空難事件[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，發現客機遇險后除有少部分完全失控瞬間毀滅情況外，大部分都有較長的緩沖時間[11]。若在這段緩沖時間內進行空中救生，那么該緩沖時間也自然形成了最佳的救生時機，這段緩沖時間稱之為“救生飛行時段”。本文在救生飛行時段的基礎上將2017年提出的一項專利技術——《客機高空空難救生系統及方法》結合客機和機內人員構建成一個客機空中救生體系，并就此進行闡述。

1 客機空中救生體系

1.1 客機空中救生體系概述

客機空中救生體系由客機、自動化救生系統、機內人員構建而成。其中客機既是空中自動化救生系統和機內人員的載體，也是救生飛行時段的提供者；自動化救生系統是救生手段；機內人員既是救生目標，又是自救逃生的參與者。該體系的作用是在客機遇險時能讓機內人員快速地脫離客機安全著陸(水)，從而有效降低或免除空難中的人員傷亡。

1.2 客機在救生中的作用

客機作為載體，其承載的自動化救生系統在遇險時為機內人員的救生提供了可靠條件。客機作為提供者的作用在于提供的“救生飛行時段”越長，救生時間越長，救生效果就越好。因此客機的表現直接影響救生效果。

1.3 客機空中自動化救生系統設計

本文的客機空中自動化救生系統是引用自2017年12月授權專利號為：ZL2016101140179的發明專利《客機高空空難救生系統及方法》[12]。以下簡稱為“自動化救生系統”。

1.3.1 客機空中自動化救生系統結構及功能

自動化救生系統各結構部件包括救生球(單/多人)、救生球裝載設備、救生球投放設備、自動化控制系統四個部分。

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

圖1 自動化救生系統結構

救生球裝載設備和投放設備及客機自動化救生系統裝配位置圖如圖2、圖3所示。

圖2 救生球裝載示意圖

圖3 自動化救生系統裝配位置及載人救生球示意圖

自動化控制系統示意圖如圖4所示。

圖4 自動化控制系統示意圖

自動化救生系統結構緊密、構造簡單、體積小、重量輕、運行速度快、使用安全、操作便利(沒有受過專業訓練的普通乘客亦可輕松使用)。當載人救生球通過時，兩扇隔離門可自動打開關閉隔離機外低溫低壓，從而維護機內環境穩定。載人救生球能保護人員不受高空低溫低壓和撞擊、水淹等傷害。另外客機使用自動化救生系統，只需要在適當部位的客艙地板上開兩個適當直徑的洞口，在兩個洞口上分別裝配救生球裝載間和儲存間，然后在相應位置的底板上也開一個適當大小的洞口裝配救生球投放設備并與救生球裝載間的洞口連接，即可形成一個向外的救生通道(見圖2位置)。自動化救生系統遵循了適度原則，客機裝配這一系統所要做出的改造和讓步幾乎可以忽略不計，完全在可接受范圍之內。

從客機角度來看，安裝自動化救生系統只需要在適當部位的客艙地板上開兩個適當直徑大小的洞口，在兩個洞口上分別裝配救生球裝載間和儲存間，然后在相應位置的底板上也開一個適當大小的洞口裝配救生球投放設備并與救生球裝載間的洞口連接形成一個向外的救生通道，客機安裝這一系統所要做出的改造和讓步可以忽略不計，對客機的結構性、穩定性、安全性也不會造成影響。同時幾乎沒有任何無效救生載荷，有效救生載荷占比極高，提供緩降緩沖的設備既不會過度增加客機的載重也不會提高運營的成本。還有自動化救生系統除有救生球的材料(其在強度、彈性、柔性、輕質、密封等方面要求極高，多人救生球更甚)或將是難點以外，現有的航空航天材料和精密制造、傘降、GPS定位和自動化控制等技術完全能支持該系統研發、制造和應用。所以自動化救生系統具有結構緊密、構造簡單、體積小、比重輕、行程短、運行速度快、有效救生載荷占比極高以及材料和技術的支持度高等特性。

1.3.2 客機空中自動化救生系統流程

圖5 救生流程示意圖

當飛行出現險情時，通過一定風險評估后，客機在救生飛行時段內開始實施救生，如圖5所示。乘務員立刻組織安排乘客有序進入救生球裝載間坐在壓縮救生球上系好扣索，按下按鈕啟動自動化控制系統，自動化控制系統按照程序依次觸發升降機構下降，封口機構對救生球封口，當升降機構下降到裝載設備底部后傾斜將載人救生球轉移到投放設備中，這時切換機構將壓縮救生球從救生球儲存間內運移至救生球裝載間，升降機構上升回位，預備下一流程開始。載人救生球進入投放設備后，投放設備將載人救生球運移到內隔離門前，隨即內隔離門打開，通過內隔離門后，內隔離門關閉外隔離門打開，載人救生球通過外隔離門脫離客機，隨后外隔離門關閉。載人救生球脫離客機下降，下降至客機的安全距離后，救生球的外層充氣裝置和內層充氣供氧裝置分別充氣供氧，然后打開降落傘，在降落至安全海拔和安全氣壓區間后氣壓感應通氣閥門打開，最后載人救生球實現軟著陸(水)，就這樣完成一次救生流程。上述流程如此往復即可實現機內人員全部自救逃生。

1.3.3 自動化救生系統在民航四性[13]上的體現

民航四性是民機設計的基本要求[13]，而自動化救生系統本身就是綜合了四性設計形成的一套救生系統，如：救生球有保護人免遭高空低溫低壓和落地碰撞、水淹等傷害的功能，體現其良好的安全性；在設計、論證、測試時均可依托現有技術使其可靠性達到應有標準；自動化救生系統結構緊密、構造簡單、體積小等特征體現其良好的維修性；其重量輕和救生載荷率高的特點使客機的載荷消耗小，體現其良好的經濟性。所以該系統充分滿足了民航四性的要求。

1.4 機內人員在救生中的作用

在救生中，機內人員既是救生的目標，又是救生的參與者，因為角色不同其作用各異，對救生效果的作用也不相同。機內人員不同角色的作用分別為：(1)機長駕駛客機保持平穩從而贏得更長的救生飛行時段，創造更好的救生條件；(2)乘務人員安撫乘客情緒、維持秩序、操作救生系統組織救生；(3)乘客積極配合輔助乘務人員維持秩序，協同一致自救逃生。機內人員在救生過程中的主觀能動性直接作用于救生效果[14]。

1.5 客機空中救生體系中各項要素間的關系，以及客機和自動化救生系統的合理匹配

客機空中救生體系是由客機、自動化救生系統和機內人員構建而成，但在救生過程中對救生效果產生影響的要素有以下7項，分別是：救生飛行時段T、救生時間t、救生人數M、自動化救生系統單位耗時a、人員操作耗時b、救生球載人數c和救生系統套數d。他們各自的關系如下：

(a+c·b) 為救生系統一次運行流程救生的總消耗時間，稱為單次運行流程救生耗時；

(a+c·b)÷c為救生系統一次運行流程救生的人均消耗時間，稱為單位人均耗時；

(a+c·b)÷c÷d為d套救生系統同時運行完成一次流程救生的人均消耗時間，稱為總人均耗時；

(a+c·b)÷c÷d×M=t為總人均耗時乘以總人數M等于全員救生的總耗時t。

而t受T影響，T的長短直接決定t的長短，直接影響整個救生效果的好壞，T越長t就越長，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項要素間的關系可用式(1)表達:

(a+c·b)÷c÷d×M=tt?T

(1)

式(1)中，設t為已知，t÷(a+c·b)可求解時長t內一套救生系統完成的救生流程次數，流程次數再乘以c和d，即可求解在已知的t內可救人數M，反應了救生系統的救生效率。也就是說當T不滿足t即T

M=t÷(a+c·b)×c×dt?T

(2)

式(2)中，當M=客機最大載客數時，M還可以作為設計客機配置自動化救生系統套數及自動化救生系統匹配單/多人救生球的主要依據。如果對越洋航空236號事件中客機燃油泄漏完全失去動力仍可滑翔20 min的情況進行分析，假設將這20 min作為救生飛行時段的參照時間T=20 min，客機載客為200人、系統單次運行耗時a=8 s、人均操作耗時b=2 s、配置一套自動化救生系統和匹配單人救生球，即d=1 、c=1，全員救生最低耗時為:

(a+b·c)÷c÷d×M=(8+2·1)÷1

÷1×200=2 000 s≈33.3 min

(3)

從式(3)可知，其耗時遠大于20 min的參照時間，說明在這救生飛行時段內無法完成全員救生。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，其耗時等于參照時間，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，其耗時少于20 min的參照時間，可以實現全員救生，也就是說若客機無法維持20 min的參照時間，但只要T>t=15.6 min，同樣也可以完成全員救生。這說明一套自動化救生系統匹配單/多人救生球的不同，產生的救生效果不同，依此類推。如果在此基礎上客機多配置一套自動化救生系統，即d=2，那么整體耗時就減少一半，救生速率提高一倍，若配置套數更多，可以此類推。客機若合理的配置自動化救生系統套數和自動化救生系統匹配單/多人救生球就可以在有限的救生飛行時段內使救生效果最大化，同時又不浪費客機的有效載荷。另外當T遠遠大于t的情況下，還可以視地形地域選擇救生，即不在遠海、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行救生，以便開展隨后的搜救。

2 客機空中救生體系的適用場景

研究發現，諸多客機空難事例在救生飛行時段內所顯現出的場景分為三種類型：

1)客機險情出現后，客機飛行、機內人員和救生系統的狀態都基本未發生變化(燃油泄漏、起落架故障等)。譬如越洋航空236號事件，中國東航 MU586事故[15]等。這些事例都充分說明在整個救生飛行時段內的情況都是客機空中救生體系適用的場景。

2)客機出現突發險情時，客機的飛行和機內人員的狀態發生急劇變化(劇烈顛簸、驟升驟降等)，短時間內嚴重影響或妨礙人的行動，人不能使用自動化救生系統。但通過人的努力，又能較快地使這種影響或妨礙由強變弱、由大變小,使客機和機內人員基本恢復原有狀態。譬如川航3u8633事件，2019-5-5俄航空難事件，東航MU583事件[16]等。這些事例都充分說明在整個救生飛行時段的情況內，除去突發險情嚴重影響客機和人的狀態的情況外，都是客機空中救生體系適用的場景。

3)客機出現險情后，短時間內不會造成嚴重影響，但隨著險情發展這種影響會由弱變強、由小變大(機內起火等)，直至嚴重影響客機的飛行、人的行動和人對自動化救生系統的使用。譬如尼日利亞航空2120號班機空難事件，大阪空難123號事件等。這些事例都充分說明在整個救生飛行時段的情況內，漸強險情初、中期的情況就是客機空中救生體系適用的場景。

以上三類場景表明不管客機遭遇何種險情，只要險情出現后客機、人和自動化救生系統的關聯未完全打破，即客機基本能維持飛行、人基本能行動和使用自動化救生系統的情況就都是客機空中救生體系適用的場景。

3 客機空中救生體系的可行性

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

4 結論

1)救生飛行時段客觀的大量存在、客機在救生中的作用、自動化救生系統的設計、機內人員在救生中的作用、影響客機空中救生體系救生效果的7項要素推演結果、客機合理配置自動化救生系統的套數和自動化救生系統對單/多人救生球的匹配、客機空中救生體系適用的場景、客機空中救生體系類比軍用飛機空中救生體系論客機空中救生體系可行性和必要性等多個方面從理論上充分證明了客機空中救生體系完全能夠構建起來。

2)客機空中救生體系一旦構建起來必然會進行研發實制，催生出有自動化救生系統的更安全的新型客機，這種新型客機將是旅客和各大運營商的必然選擇，迫使現有客機全面更新換代，這不僅能改變客機空難救生現狀，指明一個客機空難救生發展的新方向，為“空地一體全方位客機空難救生體系”奠定基礎，還將大大降低高達70%的空難死亡率，全面推動民航安全發展，掀起一場民航界空前的革命。

3)當今民航空難頻發，死亡率居高不下，而空中救生仍舊一片空白，若中國搶抓先機，研發出擁有自主知識產權的裝配有自動化救生系統的新型客機，并以多國專利的形式進行保護，那么中國民航將在今后相當長的時間里占據市場，獨領風騷，獲得巨大的發展，同時民航業的興盛還必將對我國政治經濟的發展產生深遠的影響，從而帶來重大的應用價值。