近期,英國皇家空軍傳來一件囧事。該國最先進的美制F-35「雷電II」戰機竟然不允許體重111.3千克以上的飛行員駕駛,問題出在「雷電II」彈射座椅的承重上。有意思的是,F-35曾對體重輕的駕駛員同樣不友好,體重少於75千克的飛行員,被彈射時也存在風險。「雷電II」戰機的彈射座椅怎麼有這麼多講究?
對現代飛機尤其是戰鬥機的駕駛員來說,彈射座椅是非常重要的救命設備。戰機穿空凌雲,難免出現故障。一旦飛機無法控制,只能棄機跳傘。但是,要在高速行進的飛機上跳傘談何容易。尤其動輒超音速的現代噴氣式戰機,飛行員跳離機體後,因為人體和降落傘的相對阻力遠遠大於流線型的飛機,在很短時間內即能形成巨大的相對速度差。這時,速度較快的飛機一掠而過,機體的外突部分甚至可能把飛行員活生生切開。
為此,現代戰機一般裝備有彈射座椅,其基本原理就是在飛機無法拯救時,直接把飛行員連同座椅一起往上方高速彈射而出,然後再打開降落傘。這樣,飛行員在第一時間先離開自己的座駕,免得被呼嘯而過的愛機「擁吻致死」。
為了保證在彈射的瞬間沒有阻攔,很多飛機還在座艙蓋安裝了小型定向炸藥。座椅彈射瞬間,炸藥爆炸,把座艙蓋掀飛,免得彈射的飛行員一頭撞上座艙蓋。彈射座椅問世以來,已經拯救了數以千計的飛行員性命。
即使如此,彈射座椅本身也充滿了危險。通常而言,噴氣式飛機高速穿行,一般可達音速(每小時1200公裡左右)甚至更快。而等到飛行員被彈射出去,打開降落傘,如此高速下空氣阻力瞬間劇增,將對飛行員產生猛烈的拉拽,其加速度會達到重力的數十倍。
一般認為,只有19至20倍重力以內的加速度才是安全的,超出這個數值將對人體構成嚴重危害。更可怕的是,如果在彈射過程中,座椅正面與降落傘展開的方向不匹配,而是形成斜角,則在斜拉力和慣性的合力下,座椅可能發生瘋狂的旋轉。而座椅上的飛行員,甚至可能因為這種劇烈的旋轉,把沉重的頭部甩到一邊,造成頸椎斷裂而死。
所以,對飛行員而言,彈射座椅既是救命的天使,但稍有不慎,又會變成催命的閻王。
F-35的彈射座椅為何對飛行員體重有這麼多要求?這又要從F-35的設計思路說起。
作為世界上僅有的兩款參加過實戰的五代機之一,F-35的整體性能其實不如它的「老大哥」F-22。從某種意義上說,F-35是F-22的低配搭檔,但這個搭檔又被賦予了多面手職能,要擔任對地、對海的攻擊,為此加載上諸多戰術模塊;另一方面,F-35的動力又被削弱了。F-22是雙發動機,F-35是單發動機,推力只有F-22的六成左右。
F-35發動機功率低,加載的戰術模塊又不少,同時還得保持五代機的基本屬性——超音速。好比一個人力氣不夠大,還要背很多東西,又要跑得快,那當然只剩「強行減肥」一條路。為此,F-35在設計過程中大幅砍削各種配件的重量。這其中座椅也不能倖免。F-35採用的是馬丁貝克公司的MK-16E型彈射座椅。這款座椅是從裝備在「颱風」戰機上的MK-16A型改進而來的,重量從89千克減少到了78千克。
座椅減少了11千克,確實為戰機「瘦身」做了貢獻,但也造成了負面結果,就是座椅的穩定性被削弱。因為在緊急彈射時,座椅和駕駛員是被作為一個整體彈射出去的,而座椅變輕,使得「座椅+駕駛員」這一整體中,駕駛員體重帶來的影響加大。
早在2015年,美軍對F-35座椅的測試就發現了問題:當飛行員的體重較輕時,彈射會產生危險。由於總重量太輕,壓不住秤,導致彈射時,會以更快的速度旋轉,突破每秒1000度的安全界限。過快的旋轉會使飛行員的頸椎受傷。同時這種旋轉又增加了座椅方向的不穩定。一旦飛行員身體正面與降落傘的拉拽之間產生一定的夾角,兩者的合力將使飛行員的頸椎和脊椎受到扭曲的拉力,帶來致命後果。
這種致命不是文藝修飾,而是血淋淋的現實:1976年到1989年間,美國海軍時速超過926公裡的彈射共計發生了10人次事故,造成6人死亡,2人重傷。
美方認為,體重少於166磅(約75千克)的飛行員,被彈射時存在風險。而當飛行員體重少於136磅(約62千克)時,也就是飛行員+座椅的總重量少於140千克時,這個危險大到不可接受。因此,2015年美軍便做出規定,暫時禁止體重62千克以下的飛行員駕駛F-35。
好在,美國軍飛行員往往肌肉發達。美國男性平均體重接近90千克,大部分男性飛行員要達到62千克這一「標準身材線」並不困難。
但是,對於女性,以及美國的盟國戰友而言,就是另一回事了。眾所周知,女性的身高通常比男性有明顯差距,而且骨骼和肌肉的佔比也更小,這就造成女性的體重比男性要輕得多。同樣,美國的一些盟友,如日本、韓國男子,他們的體重也要輕不少。依然按前幾年的抽樣統計,美國女性平均體重為75千克,剛剛達到F-35座椅「存在一定風險」的體重線。而韓國男子平均體重只有69千克;日本男子平均體重61千克。日本作為美國在亞洲的重要盟友,引入F-35是近期的重要軍備舉措;而歐美各國面對招兵的壓力,大力引入女飛行員也是解決兵源不足的良方。對於日本飛行員和北約國家的女飛行員來說,75千克危險,62千克高危,這道線畫得非常尷尬,可以說影響巨大。
為此,美國五角大樓在2016年初發表聲明積極尋求解決途徑。參與解決的包括製造座椅的英國馬丁-貝克公司和製造F-35戰機整機的洛克希德-馬丁公司。
2017年,美國軍方宣布這個問題得到了解決。通過相關的改進,MK-16E彈射座椅承載的安全體重下限,從之前的136磅下降到102磅(也就是不到46千克)。考慮到戰機駕駛員也不大可能瘦骨伶仃,認為這個承載力足夠用了。
不過,正所謂「按下葫蘆又起瓢」。雖然下限得到了擴展,但座椅的上限依然保持在247磅(約111.3千克)。超過這個體重的人,彈射同樣可能發生危險。顯然,對於男子平均體重接近90千克的美國人來說,這個上限才是「要命」的。尤其歐美各國胖子比比皆是,平均體重還在不斷上升。據統計,美軍中超重者的比例已逾10%,而且空軍佔比在三軍中最高。雖然有軍方對此辯解,認為軍人經過訓練,肌肉比普通人發達,所以測出來的體重比常人高,但對F-35的彈射座椅來說,它可不管你是肌肉還是脂肪,只要重量超了,彈射就會發生危險。
接下來馬丁-貝克公司會怎麼做?顯然,要解決這個問題無非兩個思路:要麼繼續改進座椅,要麼讓飛行員去減重。粗略一看,前者雖然技術上可行,卻花錢耗時,後者更經濟。
相對於MK-16在五代機上的尷尬,另有一款彈射座椅卻讓人放心,那就是蘇俄系的K-36。K-36彈射座椅是在冷戰中期研製的。早期蘇聯噴氣式戰機的事故率頗高,為此一款優質的彈射座椅成為必備救命良品。
K-36系列座椅在研發之初,就創出了自己的特色。一方面,它能夠根據飛機出事時的具體情況,包括飛行高度、飛行速度,選擇合適的開傘動作與時機,使得在各種極端情況下,救生傘依然能適時打開。K-36救生傘採用了開縫結構,簡單說就是在降落傘上設計了多組開縫,這些開縫會起到自動調整速度與傘面拉力的平衡。在速度較低時,開縫較小,救生傘面較為完整,從而使得受到的空氣阻力大,能很快減速;當飛行速度較高時,由於救生傘承受的空氣衝力較大,傘面上的開縫就會被拽開,相當於開閘洩洪,反過來使傘面受力較小,避免傘面損壞或飛行員被拽傷。
俄羅斯則將彈射座椅作為一個獨立的飛行器研發。他們採用特殊設計,使得座椅彈射出艙後,能夠改變氣動外形,形成穩定可控飛行狀態。要對抗高速下的氣流,最好的辦法莫過於駕馭它飛起來。K-36裝備兩根伸開後長達1.8米的穩定杆,可旋轉的穩定傘系統,不論姿態如何變化,都能夠迅速把座椅拽回「立姿」,即正面對抗氣流。「立姿」時,人體的耐受力最高,受傷機率最小。這也是未來下一代彈射座椅發展的方向。
K-36系列從1970年正式服役來,共裝備1萬多臺,表現完全可以用驚豔來形容。1993年7月24日,兩架米格29戰鬥機在費爾福德國際航空節表演時,在低空以亞音速擦身而過發生碰撞,其中一架機身斷裂後僅僅3秒鐘就落地爆炸,飛行員卻在離地50米不到的空中彈射成功。1999年6月12日巴黎航展上,蘇-30MK在低空飛行時擦地起火,飛行員幾乎在零高度雙人彈射成功。2002年7月烏克蘭空軍蘇-27在飛行表演中墜毀,地面傷亡慘重,但飛行員卻安全彈射逃生。2010年夏,俄空軍一架雅克-130教練戰機突然失控墜毀,飛行員依然「毫髮無損。」。問世半個世紀來,K-36數百次彈射,97%的飛行員健康狀況良好,堪稱是萬裡長空的救命神器。