在我国最新设计的武装直升机，XX型号研制过程中，负责整机结构系统的耐撞性设计。这是继美国研制出UH-60“黑鹰”以及AH-64阿帕奇武装直升机以后，我国首次采用结构“耐撞性”的概念对武装直升机进行设计。学术带头人对UH-60“黑鹰”和AH-64阿帕奇武装直升机的抗坠毁设计非常熟悉，结合我国XX型号XX%的生存率特点，与航空B集团直升机设计研究所等合作在建立相应的设计指南和设计规范的基础上，率领研究组，结合他们研制的大型分析程序及相关实验，负责完成整机的抗坠毁设计，其理论成果于2000年获中国高校自然科学一等奖。
根据《航空科学技术》，“直升机航空救生装备发展研究与设想”。
在新研武装直升机和运输直升机中应考虑抗坠毁生存设计，乘员生存概率应不低于９０％。
《航空科学技术》
Study of The Crash Protection Technology for The Armed Helicopter
□海军航空工程学院马登武叶文
□航宇救生装备有限公司丁春全
摘要：随着直升机的迅猛发展，直升机乘员应急救生问题日益得到重视，国内外研究了一些比较成熟的救生方案。该文简要地介绍了武装直升机的救生技术，重点论述了抗坠毁能力和抗坠毁设计中应该采用的措施，以有利于武装直升机的救生，提高武装直升机的生存能力。
关键词：直升机救生抗坠毁能力抗坠毁设计
由于军用武装直升机作战飞行时处于低空或超低空空域，发动机红外辐射强，容易被探测，因而易受到红外制导和雷达制导武器攻击。同样由于飞行高度低，非正常接地前驾驶员选择操纵动作的反应时间短，易坠地受损。因此，要求军用武装直升机有很高的战场生存性。直升机的战场生存性与它的被探测性、机动性、抗弹击性和抗坠毁性等方面的能力密切相关。对新型军用直升机来说，战场生存技术将成为发展重点。战场生存技术除了抗弹、防弹、红外抑制、红外干扰、隐身技术以外，还包括抗坠毁技术。抗坠毁技术是提高直升机生存力，拯救飞机乘员生命的关键技术。战场生存技术的核心是保护飞机乘员免受战斗攻击和飞机坠毁的伤害，尤其是直升机抗坠毁技术的运用。因此，军用直升机，特别是武装直升机，如何更好地提高乘员的生存率，解决乘员的救生问题将会变得更加迫切。
一、武装直升机的救生技术
鉴于武装直升机在现代战争中的重要性和不断发展的要求，直升机飞行员的救生问题，已成了直升机设计师的重要研究课题。如果直升机在飞行中出了极为严重的故障，或在战场上被敌方击中无法继续飞行时，直升机的飞行员必须采取措施，把损伤减低到最小程度。当前，世界上有以下几种比较有效的救生方法。
一种办法是依靠直升机旋翼自转着陆。如果直升机发动机出现了故障，但还可以操纵，飞行员应努力降低直升机的飞行速度，控制飞行姿态，依靠旋翼的自转，起到类似降落伞的作用，使直升机的下坠速度降低并安全着地。但是，如果直升机发生故障的高度太低，例如在50m以下，旋翼自转无足够时间把坠地速度降下来，此办法就不太有用了。尤其是对武装直升机来说，其执行任务的高度一般都很低，经常是"贴地飞行"，高度仅为5～15m，因此一旦受伤，其飞行速度和姿态通常无法控制。所以，这种简单的办法显然是不可靠的。
另一种办法是提高直升机的抗坠毁能力，也就是说，不管飞机如何坠毁，其坠地速度和加速度必须在人体耐受限以内，确保飞行员的生命安全，宁可机毁，不可人亡。提高直升机抗坠毁能力的核心是采取一定的吸能措施，不使飞机坠地时的巨大撞击能量传递到飞行员身上。该吸能措施主要在座椅、起落架和飞机机体下部结构上实施。机体下部结构可采用蜂窝夹层材料，利用其坠地后的变形，来吸收一部分能量；而比较好的滑橇式起落架或液压作动筒式起落架能吸收59%的坠地能量。
还有一种方法是采用火箭牵引技术。弹射救生技术已在固定翼机上普遍采用，比较成熟，成功率很高。目前，国外也有将弹射救生技术用到直升机上，其最大的困难是弹射时要先将旋翼炸掉。火箭牵引救生技术虽然具有结构紧凑，占空间小，重量轻等优点，但由于直升机空中出现故障形式不同，不能很好地满足火箭牵引救生系统较高的可控性和可靠性等要求。比如飞机应具有一定的飞行高度并处于可操纵状态，飞行员还必须具有正常操纵飞机的能力，而战伤后的直升机一般很难同时具备这些要求。因此，火箭牵引救生技术用于武装直升机的救生还有一定的限制。
二、抗坠毁技术
从武装直升机任务效率的观点看，抗坠毁技术并不能提高直升机的生存性。不过，这种技术能保护坠落直升机上飞行员的生命。幸存的飞行员能重新驾驶直升机投入战斗，这无疑会提高部队的作战能力。另一方面，驾驶具有抗坠毁能力直升机的飞行员不必担心被击中后自己的生命安全，可以放心大胆全力以赴地投入战斗。这对提高直升机的生存力也有一定的影响。抗坠毁性，是指直升机在发生意外事故坠毁时，保护乘员生命安全的能力。提高直升机的抗坠毁性应当在直升机开始设计时，就对座舱、座椅、起落架、油箱密封性等采取特殊的措施，使直升机在坠地时（只要坠地撞击速度在设计值以内），通过一部分结构和构件的变形和破坏，吸收或转移大部分撞击能量，使乘员所受地面冲击力最小，座舱尽可能保持完整，油箱系统部件不渗漏。因此，直升机坠地后机体和系统虽然遭到极大的破坏，但乘员不仅能幸存下来，而且还能在危险环境中得以生存。在直升机坠毁中，乘员生存的可能性取决于以下几个方面：
直升机结构的抗坠毁性--直升机结构保持生存空间的能力；
系留系统强度--在坠毁过程中，防止乘员、货物或设备甩脱的约束机构强度；
乘员加速度环境--坠毁时，乘员所经受加速度的大小和持续时间（假设约束完好）；
乘员环境危险--在乘员附近的障碍物、凸出物和松脱的设备可能造成碰伤；
坠后危险--撞击后，火、水和暴露等因素对乘员生存构成的威胁。
目前美国和意大利等国都按照美国军用标准MIL-STD-1290的要求进行抗坠毁设计。按此标准，直升机在垂直下落速度达12.8m/s时，乘员的幸存率为95%，坠落时不应有动部件进入座舱，座舱容积的减小量不应大于15%。要达到上述标准，在设计中必须对直升机的机体、起落架、座椅及其他部件采取抗坠毁措施。
三、抗坠毁设计
1. 机体抗坠设计
不管是结构设计，或者设计上的修改，只要能降低在坠毁中可能出现的塌陷程度，或减少坠毁时乘员所承受的加速度，或两方面都能减少，就可以提高乘员的生存力。
其方法包括：
提高乘员区结构的能量吸收能力，以便为这些区域提供附加的保护措施；
改进最早与地面接触的结构，以降低拱地程度，从而减小加速度和撞击力；
改进尾桨、尾斜梁、外挂架系统的结构，而且在一定情况下，保证在机体坠毁时使这些损坏的部件安全脱离机体(部件在直升机坠毁时脱离机体将有助于减少飞机质量，从而降低座舱结构的强度要求)；
加强驾驶舱和座舱结构，使之能乘受较大的力而不塌陷；
改进机身的结构，以增加无人区域的结构变形或塌陷，从而具有附加的结构吸能作用。
机身的形状对上述方法都有一种固有的影响。有人认为，如果把机身设计成矩形横截面，这种机身会具有圆筒形或椭圆形机身截面同样的抗坠毁特性；然而，实际上并非如此。通常，圆形或椭圆形截面会形成较强的结构。机身的曲面蒙皮和平面地板，或者基本上是平面的内舱壁之间的空隙可以容纳吸能材料。因此，曲面的机身构型一般比矩形具有更好的耐坠毁性能。
(1)改善纵向撞击的耐坠毁性
在主要是纵向坠毁中，对地面的挤压和拱凿形成了座舱地板上大部分加速度。因此，讨论减少拱地的方法是第一个需要考虑的问题。
当直升机前部变形因而形成铲斗，加速冲击泥土时，会出现两种有害的影响。第一、可能出现大的直升机加速度；第二、加速泥土所需要的大撞击力可能集中在较小的面积上，从而使驾驶舱保护壳体发生塌陷。因此减少拱地现象将会由此而降低机身地板加速度水平，同时也可防止保护壳体压曲。减少拱地现象可通过取消易于钻凿地面的表面结构设计来实现。这种结构设计应有大且平的表面，以便使直升机能沿地面滑行。
(2)改善垂直撞击的耐坠毁性
可用下述几种方法减少垂直撞击对座舱全面塌陷造成的威胁：
第一，在可能的情况下，不论在原始设计还是改型中，或者在货物与设备的系留装置中，从直升机顶部到座舱地板的质量转移应是有利的。第二，对座舱结构进行全面加强以增强结构的抗塌陷能力。对连接大质量部件的上部结构局部加强可进一步防止在垂直撞击时出现全面塌陷。第三，修改座舱结构增强其弹性吸能作用，或在出现低于全面塌陷载荷的过载时具有塑性吸能作用。这样的修改有益于保持座舱结构的整体性。第四，在出现低于座舱塌陷载荷的过载时，增强下地板结构的吸能作用，提高座舱的耐塌陷性能。也可以用可挤压的下地板结构来减少大垂直加速度对座舱地板形成的威胁。（3）改善发动机架等其他部件的耐坠毁性
发动机架在设计上必须使之连接到基本支持构件（机头部分、机翼、后机身部分等）下，减少发生火灾的危害，同时也减少发动机脱离安装支架后在机内冲撞而对其他结构造成局部损坏。
位于机身上部的大质量部件（如旋翼轴、传动系统）的支撑结构在设计上应能承受下述载荷：侧向18g，纵向20g，垂直方向20g。这些要求可保证上部构件不致穿透乘员保护壳体。
应急舱门周围框架必须很牢固，以防止坠毁状态下由于变形而使应急舱门无法使用。此外，在飞机翻倒时，在直升机最大总重作用下，舱门框架最低限度还能承受5g的载荷。
2. 起落架耐坠毁设计
旨在改善耐坠毁性能的起落架设计有两个重要的问题需考虑。第一，起落架必须尽最大可能防止机身触及撞击表面。这就要求起落架具有一定的强度和相应的能量吸收能力。第二个问题是一旦起落架承受的强度和能量吸收能力超过了设计极限怎么办。此时，设计者必须保证起落架的损坏不会使乘员受伤或造成坠毁后起火的危险。
在主要是垂直撞击的事故中，起落架的吸能作用很重要。因为，只有当所有可能用于止动的距离都被用来为机身剖面提供可控减速度，在机身座舱触地之前尽可能减少其触地速度，才能为乘员提供最大的保护作用。
直升机起落架的最新研究成果表明，起落架在设计上要能吸收7.6m/s垂直撞击速度下直升机的撞击能量。根据各种吸能装置的有效差异程度，撞击冲程至少应有45.7cm。
为了防止起落架支撑结构造成损坏，应使起落架的位置远离燃油系统和乘员区。或将起落架设计成能在受撞击时间向外伸出，使损坏点所处的位置对重要区域所构成的危险减至最低。
3. 座椅耐坠毁设计
座椅、连接件和支撑结构应具有足够的强度，以使乘员相对直升机结构（座椅连在上面）的速度减至零。另外，约束系统和座椅都应尽量减小而不是放大由直升机结构传递给乘员的减速载荷。由于束带和座椅使乘员和直升机互连并与乘员长时间的接触，因此，在增加耐坠毁性的时候不应使舒适性有很大降低。
在生存坠毁中，通过座椅结构变形、载荷限制装置或两种办法的组合来减小支撑结构传递的载荷。设置限制载荷座椅系统的目的是利用座椅和地板之间的空间，使座椅和乘员相对飞机结构产生位移来减小传给乘员的载荷。其意义是，在整个坠毁脉冲期间使乘员承受的载荷在人能忍受的范围内。影响座椅约束系统设计的因素包括：人的忍受极限，设计的输入脉冲，乘员的重量，座椅、减震垫及约束系统的重量。
影响载荷限制座椅设计的因素还包括座椅活动部分的重量和可用的行程距离。在设计空勤人员座椅时考虑的乘员重量范围是66～96kg，这两个重量分级别代表5%～95%部队飞行员的体重和装备重量。空勤人员座椅的强度应以75%的士兵体重和装备重量为依据，但能量吸收系统的设计必须考虑乘员全部重量范围。为在有效的行程长度内确定最佳的载荷限制系统，应进行减震垫、乘员、座椅和约束系统的动态分析。
在坠毁引起的地板角位移和线位移中，座椅应保持其结构完整性及与飞机结构的连接。因此，连接件既要承受角位移和线位移，又能承受设计剪力、拉力和压力。地板连接头应能任意转动10°而不破坏。在座椅零件与支撑结构的连接不会引起额外的外载荷时，应允许连接点有线性角误差。在确定座椅破坏强度时，要考虑变形超过零件弹性极限的承受能力。要求采用塑性材料。座椅和约束系统的所有临界结构件最好采用延伸率大于等于10%的材料。
英国马丁·贝克公司已生产了直升机装甲耐坠毁座椅，使乘员的耐坠毁和对地面轻武器防护力达到一个新的水平。这种装甲耐坠毁座椅实质上是由吸能装置和"凯芙拉"/碳化硼陶瓷层压板凹背座斗构成，能抗7.62mm弹丸多次命中与12.7mm弹丸单发命中。因为座椅装甲是用陶瓷材料做成的，重量比同样大小的钢装甲轻一半以上，并且不可燃，不需维护和不腐蚀。已研制出成形的舒适的座垫，这种座垫在8h之内不会降低乘员的工作效率，可使乘员乘坐特别舒适并在坠毁时免受伤害。座垫中还有救生物品包。 该座椅的突出特点是装甲座椅斗、安全带、救生物品包和座椅高度调节机构都安装在撞击减震系统上。减震系统又与直升机框架相连，为适应安装的需要，专门设计了连接点。撞击减震系统是由软的不锈钢管和固定座组成。减震系统通过固定座控制钢管变形来减弱可能出现的高撞击力，所以只有人体能承受的力才能传到乘员身体上。
经过几十年的探讨和研究，直升机乘员救生技术获得了重大进步与发展。但应该看到,在武装直升机救生技术方面,尤其在抗坠毁救生技术方面,我国才刚刚起步,还要做不少工作。目前,抗坠毁技术广泛用于武装直升机救生,已为越南战争、海湾战争实践所验证,有很高的成功率。抗坠毁设计是武装直升机设计中的一项关键技术,它的优劣直接影响乘员的救生成功率。
参考文献
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