梯吊組合式飛行員遇險救護裝置的設計

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，韓學平

（1.空軍特色醫學中心，北京100142；2.長春奧普光電技術股份有限公司，長春130033）

0 引言

救護飛行員快速脫離遇險飛機座艙的相關設備、器材的研制一直受到航空兵部隊衛生機構的關注[1]。相關飛行事故資料分析顯示，機場內飛行事故發生率約占飛行事故的50%[2-4]。因此，研制操作簡便、適用性強的飛行員遇險救護裝置，協助飛行員快速脫離遇險飛機座艙是不可忽視的問題。目前，飛行員遇險救護裝置主要包括組合式救護梯、掛車式飛行員遇險救護設備和飛機搶救車3種[3-6]。這些裝置在可靠性、便攜性、勤務適應性等方面各有其特點，但也存在一些問題，如組合式救護梯吊救受傷飛行員出艙的角度和高度不夠，需要救護人員協助搭拽出艙，且沒有保護背板，可能在施救過程中對受傷飛行員的脊柱造成二次傷害；掛車式飛行員遇險救護設備采用手工操作，固定防側翻支腿、抽拉三節吊桿、轉動絞盤等操作相對復雜，使用不便；飛機搶救車選用SX2190NF汽車底盤進行改裝，裝備造價高、結構復雜、操作難度大，需要專業人員操作。因此，需要針對我國機場應急救護特點開展研究，機場應急救護也應逐漸走向技術化、標準化和規范化[7]。為滿足部隊需要，切實解決飛行員快速脫離遇險飛機座艙的需要，本研究設計了梯吊組合式飛行員遇險救護裝置，將強度、質量適宜的碳纖維和鋁合金相結合作為主要材料，滿足便攜和強度的勤務要求；采用副梯上下抽拉、側梯左右移動、吊桿相對固定的設計，滿足快速展收、有效吊救的要求；使用副梯鉤掛飛機座艙外緣方式，滿足吊救過程的安全性要求。

1 設計原則

1.1 適用條件

適用于各型戰斗機迫降后，在打開或破拆飛機座艙蓋的前提下，用最短的時間協助受傷飛行員脫離遇險飛機座艙，并送入救護車。

救護裝置主要用于遇險飛行員昏迷或無法自主行動時的救援。受限于機場保障條件，本裝置設計為無動力操作方式，吊救勞動負荷較外接動力方式更大。因需要牢固穩定的支撐面，適合在機場范圍內進行救援操作。

1.2 基本功能

救護裝置平時置于外場救護車內，遇險時隨救護車到達遇險飛機旁，在無動力條件下由3人操作快速展開，將受傷飛行員吊離遇險飛機座艙，并利用救護車內現有擔架送入救護車。救護過程中可有效防止遇險飛行員的二次受傷。撤收后，本裝置放回外場救護車內備用。

2 總體設計

救護裝置采用可伸縮登機梯、柱式吊救系統和保護背板為一體的梯吊組合式結構（如圖1、2所示）。展開高度2 500～3 700 mm可調，收攏尺寸2 100 mm×600 mm×300 mm，可在外場救護車內存放（如圖3所示）。救護裝置質量為29 kg，主要由伸縮梯、吊救系統、保護背板、支撐防滑墊、可調防滑墊、掛鉤以及絞盤7個部分組成。

圖1 梯吊組合式飛行員遇險救護裝置展開圖

圖3 梯吊組合式飛行員遇險救護裝置收攏狀態示意圖（單位：mm）

2.1 伸縮梯的設計

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、側梯（2個）、外置彈簧定位裝置、絞盤固定座組成（如圖4所示）。整體承重大于300 kg。

圖4 伸縮梯主梯結構示意圖

主梯采用槽鋁結構，質量輕、強度高。伸縮副梯和側梯采用碳纖維材質，具有質輕堅固、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等特點[8]，可以滿足救護裝置質量和強度要求。在側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足外場救護車內存放要求。

圖2 梯吊組合式飛行員遇險救護裝置外形圖（單位：mm）

2.2 吊救系統

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

圖5 吊救系統結構示意圖

2.3 保護背板

保護背板主要用于遇險飛行員吊救出艙過程中固定并保護頸椎、脊椎，防止遇險飛行員二次受傷。保護背板采用碳纖維復合材料，背部設防脫軌道以保證保護背板在主梯內滑動不會脫離。背板兩側分別設置頭、肩、腰部固定帶，腋下和臀部設置吊帶（如圖6所示）。使用時，操作人員將保護背板從座椅和飛行員背部插入，用頭、肩、腰固定帶對飛行員進行固定。腋下吊帶和臀部吊帶用于起吊飛行員，吊帶上設計有掛鉤，可以與吊救系統即鋼繩上的掛鉤連接，方便起吊飛行員。

圖6 保護背板示意圖

2.4 防滑墊

防滑墊固定于救護裝置最下端，采用型材加橡膠結構。防滑墊具有增大與地面摩擦功能，以保障救護過程的穩定性；還具有高度調節功能，調節高度約40 mm。

2.5 絞盤

絞盤固定在主梯左側，通過絞盤帶動鋼繩、掛鉤將飛行員吊救出艙。絞盤內部采用齒輪結構設計，以增大救護人員輸出扭矩，實現快速吊起飛行員。絞盤橫向牽引500 kg，垂直吊重150 kg，傳動比為4.2∶1，繩索采用鋼絲材質。

3 力學分析

3.1 結構強度分析

根據技術要求，救護裝置展開最大高度為3700mm，吊救系統模擬起吊150 kg重物，伸縮梯模擬承重300 kg。通過NX12.0進行有限元仿真分析。根據分析結果，節點最大應力為588.24 MPa（如圖7所示），超過碳纖維復合材料7075-T6的屈服強度（505 MPa）。經分析，模型節點最大應力是由于模型缺少圓角導致的應力集中，所以將模型改進，增加圓角，結果最大應力為396.39 MPa（如圖8所示），小于碳纖維復合材料7075-T6的屈服強度。在工作狀態下模型應力小于材料的屈服強度，所產生的形變屬于線彈性形變，整體結構不會被破壞。

圖7 改進結構前模型

圖8 改進結構后模型

3.2 極限承重分析

以2名救護人員及遇險飛行員同時在救護裝置一側的極限工作狀態，通過NX12.0對救護裝置展開最大高度下450 kg承重進行仿真分析，結果最大應力為322.67 MPa，小于碳纖維復合材料7075-T6的屈服強度（505 MPa），救護裝置安全。應力結果圖如圖9所示。

圖9 極限承重分析應力結果圖

3.3 側翻穩定性分析

救護裝置的工作狀態主要包括0°工作狀態和吊救出艙時的90°工作狀態，如圖10、11所示。在0°工作狀態即飛行員起吊過程中，重力G1為飛行員質量，重力G2和G3為2名救援人員質量，其中G2+G3>G1，起吊力臂L1M飛，即救護人員的力矩大于飛行員力矩，在起吊過程中不會發生側翻。在90°工作狀態即飛行員起吊過程中，重力G1為飛行員質量，重力G2和G3為2名救護人員質量，在90°吊救時整個系統質量均在翻轉點內側，有G2×L2+G3×L3>G1×L1，所以在吊救過程中不會發生側翻。

圖10 0°工作狀態圖

圖11 90°工作狀態圖

3.4 關鍵點的應力校核

3.4.1 銷軸跟部應力

吊救系統與伸縮梯采用40Cr銷軸連接，應力集中點發生在銷軸根部位置。根據仿真分析結果，銷軸根部應力為432 MPa。40Cr材料屈服強度為785 MPa，剪切強度為800 MPa，銷軸根部應力均小于40Cr材料屈服強度和剪切強度，銷軸連接處在吊救過程中安全。

3.4.2 支座應力

吊救系統加裝在側梯上，其關鍵部件是支座。在吊救系統起吊150 kg重物時，根據仿真結果在支座處應力最大為337.28 MPa。支座采用7075T6材料，屈服強度為505 MPa，在實施吊救過程中支座應力為337.28 MPa<505 MPa，吊救系統不會被破壞。

4 改進設計分析

4.1 登機梯的改進設計

對遇險飛行員實施救護，首先是借助有效裝置實現救護人員快速靠近座艙。2003年張國民等[5]研制的遇險急救設備采用梯子、吊救、擔架為一體結構，梯子由主梯、副梯和側梯組成，自制的擔架嵌入梯子槽內，施救時將受傷飛行員從座艙拽出放到擔架上并固定，然后從梯子上滑下。其主要問題是在應用于座艙高度較高的飛機時，由于跨度大，梯子變形明顯；且整體質量偏大，不便于攜行。2008年韓學平等[3]研制的專用救護設備配備了2架竹節梯，主要用于救護人員從飛機座艙兩側登機，實施飛行員保護背板的固定和起吊的連接，飛行員出艙由吊車完成。該救護設備整體為掛車設計，攜行受限且操作過程復雜。本研究將強度、質量適宜的碳纖維和鋁合金作為救護裝置的主要材料，質量控制在30 kg以內，滿足便攜和強度要求。采用副梯上下抽拉、側梯左右移動結構，使用碳纖維掛鉤將副梯鉤掛飛機座艙外緣的方式，解決了登梯時梯子變形較大問題，確保了吊救過程的安全性。整體結構設計既滿足快速展收，又滿足收攏后可放置在外場救護車內的要求。

4.2 吊救系統改進設計

飛機座艙空間狹小，救護人員站在梯子上或座艙邊緣很難將傷勢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飛機座艙是搶救的關鍵。2008年張若東等[6]研制的遇險急救設備采用在梯子一側上端插入吊桿，使用時展開吊桿，吊桿頂端的吊鉤與捆綁飛行員的吊帶相連，轉動梯子下端固定的絞盤將飛行員吊起協助其出艙。因吊救受傷飛行員出艙的角度和高度不夠，只能在救護人員協助下搭拽飛行員出艙。2005年王正華等[9]研制的新型飛機飛行員應急離機裝置采用三腳架式吊救系統吊救飛行員出艙，方法可行，但該裝置操作復雜、便攜性差。2007年由俊生等[10]研制的新型機場專用救護車采用救護人員乘坐吊籃形式吊救飛行員出艙，該車成本過高、無車輛編制且需要專業人員操作。2016年為解決艦載機遇險后飛行員搶救，王偉等[11]研制了飛行員快速離機與救護裝備，采用升降平臺加載電動吊臂吊救飛行員出艙，雖然解決了車輛編制問題，但同樣存在成本高、操作復雜等問題。

綜合分析上述裝置，結構簡單的梯、吊、擔架結合的救護裝置吊救過程不能有效防止飛行員二次受傷，車載吊救可有效防止飛行員二次受傷，但大多采用汽車加改裝、拖車、升降機等，存在成本高、車輛編制難以解決以及操作復雜等問題。本救護裝置采用梯子和吊桿結合形式，可以有效解決以上問題。

4.3 保護背板的改進設計

飛機迫降后，飛行員可能發生脊柱、頸椎、四肢骨折和軟組織傷，重者可出現昏迷。為防止在搶救飛行員脫離座艙的過程中造成飛行員頸椎、脊柱的二次受傷必須配備硬質脊柱保護背板。以往的飛行員遇險救護裝置中，除了2003年張國民等[5]研制的遇險急救設備沒有保護背板外，其余多數采用玻璃鋼脊柱保護背板。本裝置改進設計使用碳纖維制成保護背板，在滿足保護要求的前提下減輕了質量，便于攜帶。

5 作業流程

本救護裝置平時放入外場救護車內，救護傷員時按照圖12的流程操作。3名救護人員分別從救護車上快速攜帶本裝置和擔架（原救護車標配）到遇險飛機座艙一側；展開登機梯，選擇適宜高度并固定，打開伸縮副梯和側梯，展開吊桿，調整絞盤，從主梯登機，將梯子上端與座艙邊緣固定；利用保護背板在座艙內對受傷飛行員進行固定，并將4條吊帶與吊鉤相連，操作絞盤起吊飛行員放到主梯上滑下，最后放置在擔架上送入救護車。

圖12 救護作業流程

6 試用效果

完成樣機研制后，利用自制的高度為3 700 mm的模擬座艙（如圖1所示）進行功能性能驗證。按照圖12所示流程進行遇險飛行員救護操作，結果3名經過培訓的救護人員能在規定的3 min內展開救護裝置；伸縮梯能滿足座艙高度要求；保護背板使用簡便、快捷，在吊救系統協助下可將模擬遇險受傷飛行員吊離座艙。救護裝置收攏后可放入外場救護車內。

從試用效果分析，本救護裝置存在以下問題：（1）本裝置雖滿足單人攜行的勤務要求，但總體結構顯得單薄，整個救護過程梯子頂端掛鉤必須牢固掛在飛機座艙邊緣；（2）吊出飛行員后，背板很難控制在梯子凹槽內，需要救護人員協助緩慢向下移動；（3）本裝置使用前必須進行培訓，確保救護人員不僅熟練掌握使用要求，而且配合默契。

7 結語

梯吊組合式飛行員遇險救護裝置采用梯吊結合形式，使用碳纖維和鋁合金為主體材料，滿足強度要求的情況下質量更輕，便于攜行；展開高度滿足高性能殲擊機要求，吊桿、梯子、掛鉤和座艙結合，既可防止登機梯跨度大承重時發生凹陷變形，又可增強吊救穩定性；吊救系統和保護背板的配合使用不僅為防止遇險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定性。另外，本救護裝置在梯子和梯蹬連接處使用了螺栓固定，增加了對整體結構維護和保養的要求，因此，該產品在交付部隊時，在產品使用說明書中需明確維護保養要求，并配備相應的固定螺栓和專用工具。

在實際試用過程中，本裝置存在手搖吊救速度慢、支撐角度調整不方便的問題。下一步工作中，需考慮對絞盤內齒輪比例進行優化，或者改為可變速齒輪比，根據施救者力量和被救者體質量手動調整齒輪比以提高吊救速度；另外，需對支撐防滑墊的調整方式進行優化，以提高本裝置的展開速度。