Средства спасения на военных самолетах

Наиболее простой способ покидания боевого самолета через борт кабины позволял решать проблему спасения при скоростях полета самолета до 400-500 км/ч. С увеличением скоростей полета V _c до 500-600 км/ч мускульной силы летчика, вылезающего из кабины, не хватает для преодоления действующих на него высоких аэродинамических нагрузок и покидание самолета стало практически невыполнимым. С ростом скорости полета траектория движения тела летчика при покидании им самолета становится более пологой и появляется реальная опасность столкновения летчика с хвостовым оперением самолета.

Рис. 15.25. Относительные траектории движения тела летчика при покидании кабины самолета

На рис. 15.25 представлены относительные траектории движения тела летчика при покидании кабины самолета (траектории движения центра масс летчика относительно условно неподвижного центра масс самолета).
Статистика авиационных происшествий в мире показывает, что в начале второй мировой войны до 40% прыжков с самолета через борт на скорости 400-500 км/ч заканчивались смертельным исходом или тяжелыми травмами. Росли скорости полета, совершенствовались парашюты и кабины, чтобы облегчить покидание самолета, тем не менее в 1942 году примерно 12% аварийных прыжков со всех военных самолетов закончились гибелью летчиков, а в 45% случаев летчики получили повреждения, в 1944 году число случаев гибели увеличилось до 15%, а случаев получения травм - до 47%, причем причиной большинства случаев гибели и тяжелых травм было столкновение летчика с конструкцией самолета.
Еще в конце 20-х - начале 30-х годов разрабатывались системы принудительного выброса летчика из самолета в аварийных ситуациях, но только в период второй мировой войны эти работы получили практическое воплощение. К 1945 году в германских ВВС имелся опыт 60 покиданий (катапультирований) летчиками самолета с помощью катапультного кресла (от лат. catapulta, от греч. katapeltes, от kata - сверху вниз, вниз на и - бросаю, швыряю).
Катапультное (катапультируемое) кресло (КК) представляет собой кресло (сиденье) летчика, которое выбрасывается из ЛА с помощью энергодатчика - устройства, способного разогнать КК до скорости, необходимой для безопасного покидания. Наиболее широко используются пиротехнические (от греч. pyr - огонь) устройства, которые выбрасывают КК с летчиком из кабины самолета силой давления газов сгорающего порохового заряда (стреляющие механизмы (СМ), ракетные двигатели).
Принципиальная схема простейшего СМ представлена на рис. 15.26. Стреляющий механизм 6 состоит из наружной трубы 4, внутри которой может передвигаться в осевом направлении внутренняя труба 5.

Рис. 15.26. Принципиальная схема стреляющего механизма

Внутренняя труба 5 СМ связана гайкой 8 через упорный кронштейн кресла 7 с катапультным креслом 3.
Наружная труба 4 стреляющего механизма связана пятой 1 с конструкцией самолета 2.
Пиропатрон 9 помещен внутри трубы 5. При выстреле пороховые газы заполняют сначала внутреннее пространство трубы 5, а затем через отверстие в дне этой трубы и внутреннее пространство трубы 4, являющейся "стволом" СМ, из которого под действием пороховых газов начинает ускоренно перемещаться как "снаряд" внутренняя труба 5 вместе с закрепленным на ней креслом 3, выбрасывая кресло вместе с летчиком из кабины. Кресло при этом движется в направляющих рельсах, закрепленных на стенке кабины.
Действие пороховых газов на внутреннюю трубу 5 прекращается практически в момент выхода нижнего среза этой трубы из наружной трубы 4.
К моменту разделения стреляющего механизма КК будет двигаться со скоростью V _KK0 (ее называют начальной скоростью катапультирования).
Приближенное значение скорости V _KK0 можно получить, приравняв выражение для работы, необходимой для ускорения КК до скорости V _KK0, к работе СМ:

где	m	-	масса катапультного кресла, кг;
	V KK0	-	начальная скорость катапультирования, м/с;
	L	-	ход стреляющего механизма, м;
	g	-	ускорение свободного падения, м/с2;
	n	-	предельно допустимая по физиологическим нормам перегрузка (n £20);
	η	-	коэффициент полноты диаграммы СМ, т. е. коэффициент полезного действия СМ, учитывающий тот факт, что перегрузка при катапультировании изменяется по ходу стреляющего механизма.

Из этого выражения следует, что увеличить начальную скорость катапультирования V _KK0, необходимую для безопасного покидания ЛА, при ограничении на предельно допустимую перегрузку при катапультировании можно только за счет увеличения длины активного участка катапультирования, т. е. фактически времени воздействия импульса силы, выталкивающей кресло из кабины. Технически это возможно осуществить применением телескопического стреляющего механизма (ТСМ) или ракетного двигателя (РД).
ТСМ состоит из трех-четырех вложенных друг в друга труб, раздвигающихся при выстреле. Однако с увеличением числа труб коэффициент полноты диаграммы уменьшается из-за потерь давления в местах соединения труб. Кроме того, искривление ТСМ в результате воздействия воздушного потока на кресло может вызвать его заклинивание. Поэтому общая длина ТСМ обычно не превышает 2,5 м.
С помощью ТСМ длиной 2,5 м можно разогнать КК до скорости V _KK0 = 22 ¸24 м/с, что в ряде случаев обеспечивает безопасный перелет через киль самолета при скорости полета до 1200 км/ч.
Включение РД непосредственно в кабине ЛА опасно из-за возможности ожога летчика, повреждения его снаряжения или оборудования кресла факелом РД, отражающимся от стенок кабины. Поэтому необходимо предварительно катапультировать кресло из ЛА.
Это позволяет сделать комбинированный стреляющий механизм (КСМ), состоящий из СМ и порохового РД, который включается в действие после выхода кресла из кабины и осуществляет его разгон до скорости 30 м/с и более от начальной (12-14 м/с), обеспеченной стреляющим механизмом. Этой скорости вполне достаточно для безопасного перелета через киль современного самолета при скоростях полета до 1300 км/ч и более.
При создании систем спасения экипажа необходимо учитывать ряд предельно допустимых для человека специфических факторов, возникающих при покидании ЛА: линейных ускорений (перегрузок), угловых ускорений и скоростей, скоростного напора, возможных ударов о конструкцию.
Мы уже обсуждали (см. раздел 6.3, рис. 6.7) воздействие перегрузки на человека и ее переносимость человеком.
Основными факторами, определяющими переносимость перегрузок человеком, являются: скорость нарастания перегрузки во времени; время ее действия; максимальное значение и направление действия перегрузки.
Перегрузки ударного характера, возникающие при катапультировании, действуют кратковременно (доли секунды). Как и при действии длительных перегрузок, переносимость человеком ударных перегрузок зависит от направления их действия.
Выбор направления катапультирования, правильная поза человека и фиксация его тела в кресле обеспечивают безопасность воздействия перегрузок при катапультировании.
В зависимости от общей компоновки самолета, количества и расположения на самолете членов экипажа известны следующие направления катапультирования: вверх, лицом к потоку; вверх, спиной к потоку; вниз, лицом к потоку; вниз, спиной к потоку.
Катапультирование вверх используется чаще, так как при этом обеспечивается спасение экипажа при покидании ЛА на малой высоте полета.
Применение в катапультных устройствах РД позволяет решить задачу спасения экипажа на режимах взлета и посадки и при полетах "с огибанием рельефа местности" на предельно малых (околонулевых) высотах полета. Естественно, что для успешного катапультирования из ЛА, находящегося на малой высоте, требуется больший импульс, чем для перелета кресла через киль самолета на большой скорости, так как в этой ситуации необходимо поднять летчика вместе с креслом на высоту (порядка 60-120 м), достаточную для раскрытия и наполнения купола парашюта, что позволит уменьшить до допустимого значения скорость падения летчика при приземлении.
В начальный момент после выхода из самолета, совершающего горизонтальный установившийся полет, на систему "летчик - катапультное кресло", движущуюся по криволинейной траектории, будет действовать система сил, показанная на рис. 15.27.

Рис. 15.27. Силы, действущие на систему "летчик-катапультное кресло" после выхода из кабины
где	G	-	сила тяжести катапультного кресла с летчиком;
	Y	-	составляющая полной аэродинамический силы системы "летчик - катапультное кресло", направленная перпендикулярно вектору скорости V (подъемная сила системы "летчик - катапультное кресло");
	X	-	сила лобового сопротивления системы "летчик - катапультное кресло";
	R	-	сила тяги порохового РД (если применяется КСМ).

На рисунке показана абсолютная траектория "летчик - катапультное кресло", т. е. траектория относительно земной системы осей координат.
Система "летчик - катапультное кресло" движется вперед по направлению движения самолета за счет силы инерции и за счет составляющей R _x силы тяги порохового РД комбинированного стреляющего механизма. Система "летчик - катапультное кресло" движется вверх по инерции за счет импульса силы, сообщенного системе стреляющим механизмом КК, и за счет составляющей Ry силы тяги КСМ.
В фазе движения 2, через некоторый промежуток времени после катапультирования (фаза 1), система "летчик - катапультное кресло" отстает от самолета, так как является плохо обтекаемым телом. По этой же причине отстает от системы "летчик - катапультное кресло" фонарь кабины, сброшенный перед катапультированием.

В общем случае силы, действующие на систему "летчик - катапультное кресло", не проходят через центр инерции (центр масс) системы и система начинает вращаться. Поскольку обычно центр давления системы расположен ниже центра масс, система стремится вращаться головой летчика вперед. В этом же направлении вращает систему импульс силы, сообщенный стреляющим механизмом. При вращении человек ощущает головокружение, тошноту и может потерять сознание. В любом случае вращение системы в свободном полете увеличивает действующие на летчика перегрузки.
После катапультирования вращение системы предотвращают аэродинамические средства стабилизации - закрепленные на заголовнике кресла складные горизонтальные (1) и вертикальные (2) щитки (рис. 15.28, а) или стабилизирующие парашюты, размещаемые на телескопических штангах, позволяющих вывести их из зоны аэродинамического затенения кресла (рис. 15.28, б), которые раскрываются при выходе кресла в поток. Наиболее распространены парашютные системы стабилизации.

Использование РД с системой управления вектором тяги позволяет не только обеспечивать стабилизацию системы "летчик - катапультное кресло", но и решать еще более сложную задачу коррекции траектории движения системы при аварийном спасении экипажа в особо сложных условиях, например при полете на малой высоте с большим углом пикирования или при вращении по крену на высоте 20-30 м.

Рис. 15.28. Аэродинамические средства стабилизации катапультного кресла

Отметим, что горизонтальная составляющая тяги РД благоприятно влияет на процесс катапультирования, уменьшая перегрузку торможения n _x = (X - R _x)/ G, которая при скорости полета свыше 1100 км/ч может достигать предельно переносимых человеком значений (40-50).
Напомним (см. рис. 6.7), что человек неплохо переносит перегрузки (в том числе и ударные), ощущаемые им как действующие на него в противоположном ускорению направлении инерционные силы, в направлениях голова - таз, грудь - спина или спина - грудь.
Возможные с учетом этого фактора положения при выводе в поток (катапультировании) системы "летчик - катапультное кресло" и (или) стабилизации ее в потоке показаны на рис. 15.29.

При катапультировании вверх в положении, показанном на рис. 15.29, а, перегрузка от силы P энергодатчика действует в направлении голова - таз, при стабилизации в потоке системы "летчик - катапультное кресло" в таком же положении перегрузка торможения - перегрузка от силы лобового сопротивления X, вызванного воздействием скоростного напора q, действует в направлении спина - грудь. Можно после выведения в поток стабилизировать систему в положении, показанном на рис. 15.29, б ("положить" кресло по воздушному потоку). В таком положении перегрузка торможения действует в направлении голова - таз.

Рис. 15.29. Возможные положения при катапультировании и (или) стабилизации в потоке системы "летчик - катапультное средство"

При катапультировании вверх в положении, показанном на рис. 15.29, б, перегрузка от силы P энергодатчика действует в направлении грудь - спина.
При выходе системы из кабины при катапультировании человек подвергается ударному действию воздушного потока. При наличии кислородной маски летчику до скоростей покидания ЛА порядка 700-750 км/ч не требуется дополнительных средств защиты от скоростного напора.
С ростом скорости фиксация кислородной маски на шлеме становится недостаточной. Срыв кислородной маски скоростным напором может привести к травмам лица, заполнению через открытый рот и нос легких и желудка воздухом с избыточным давлением и травмированию внутренних органов. Незафиксированные части тела летчика (голова, конечности) подвергаются силовому воздействию, превышающему мускульный контроль. Возможен разброс рук и ног набегающим потоком и, как следствие, вывихи и переломы конечностей.
Чтобы исключить срыв маски и шлема и обеспечить защиту лица от скоростного напора, применялись складные жесткие или мягкие шторки КК, выпускавшиеся из заголовника кресла. Кроме того, шторка исключала "кивок" головы в момент катапультирования и улучшала за счет "выключения" зрения переносимость перегрузок в случае раскачки или вращения кресла.

Рис. 15.30. Защита катапультного кресла фонарем

До скоростей покидания ЛА порядка 950-1200 км/ч специальная система фиксации летчика (привязная система и ограничители разброса конечностей), предотвращающая разброс рук и ног летчика и возможные удара о конструкцию кресла, в сочетании с защитой от воздушного потока (высотно-компенсирующим костюмом совместно с гермошлемом или скафандром) обеспечивают надежную защиту летчика от скоростного напора при катапультировании.
В процессе развития средств спасения было разработано множество различных систем защиты от скоростного напора и спасения экипажа.

Так, на первых сериях самолета МиГ-21 (ОКБ А.И. Микояна и М.И. Гуревича) при катапультировании летчик защищался от действия скоростного напора крышкой фонаря (рис. 15.30), образующей вместе с катапультным креслом своеобразную капсулу. Затем фонарь отделялся от кресла, и летчик спускался на парашюте.

Рис. 15.31. Спасательная капсула

Спасательная капсула для катапультирования экипажа на скоростях более 1300 км/ч была разработана, например, для экспериментального самолета XВ-70 (США). Открытая в герметичной кабине самолета при полете (рис. 15.31, а), капсула герметично закрывалась перед катапультированием (рис. 15.31, б). Силовая установка капсулы обеспечивала ее выброс на высоту 85 м.
Стабилизация капсулы осуществлялась стабилизирующими парашютами, приземление (приводнение) производилось с помощью амортизатора в виде резиновой подушки.

Еще более сложной системой аварийного спасения - отделяемой кабиной - был оборудован многоцелевой истребитель-бомбардировщик F-111 (США). В аварийной ситуации 2-местная кабина пилотов (рис. 15.32) с системой кондиционирования отделялась от остальной части фюзеляжа и с помощью твердотопливного ракетного двигателя отводилась от аварийного самолета на высоты 100-600 м, в зависимости от скорости и высоты полета. Стабилизация кабины с работающим двигателем осуществлялась специально профилированной хвостовой частью кабины (стабилизатором), на участке снижения - стабилизирующим парашютом до ввода в действие основного парашюта. Амортизация при посадке обеспечивалась расположенными под кабиной и стабилизатором надувными резиновыми подушками. При посадке на воду дополнительно надувались два поплавка на верхней части кабины, предотвращающие ее переворот при волнении моря.
Отделяемая кабина для группового спасения экипажа на больших скоростях и малых высотах полета позволяет упростить индивидуальное высотное снаряжение, улучшить физиологические и психологические условия выживания после аварийной посадки, облегчить работу наземных поисковых служб спасения.

Рис. 15.32. Отделяемая кабина самолета

Однако высокая вероятность боевого поражения непосредственно кабины, сложность, большая масса конструкции и меньшая по сравнению с КК надежность определяют преимущественное использование КК в качестве средства спасения экипажа боевых самолетов.

Дополнительную защиту летчика (помимо скафандра или высотно-компенсирующего костюма с гермошлемом) от действия скоростного напора обеспечивает дефлектор - выдвигаемый в поток при катапультировании из конструкции КК щиток, который изменяет характер обтекания системы "летчик - катапультное кресло" набегающим потоком.
Спектр обтекания (видимая картина течения и система скачков уплотнения) сверхзвуковым потоком (М =2) системы "летчик - катапультное кресло без дефлектора" показан на рис. 15.33, а.
Обтекание системы "летчик - катапультное кресло с дефлектором" (рис. 15.33, б) более благоприятно для летчика с точки зрения изменения параметров потока (см. разд. 5.5) в системе скачков, формируемых дефлектором, - уменьшаются силовое воздействие воздушного потока на тело летчика и перегрузка торможения. Дефлектор существенно повышает допустимую скорость полета самолета, при которой обеспечивается безопасное катапультирование.

После катапультирования спуск летчика на землю осуществляет парашютная система - комплекс парашютов, последовательно вводимых в действие.
Современные КК снабжаются двухкаскадной (стабилизирующий и основной парашюты) или трехкаскадной (1-й стабилизирующий, 2-й стабилизирующий (тормозной) и основной парашюты) парашютными системами, размещаемыми в спинке или в заголовнике катапультного кресла.

Рис. 15.33. Спектры обтекания сверхзвуковым потоком системы "летчик - катапультное кресло"

Катапультные кресла, как и другие системы самолета, непрерывно совершенствовались в процессе развития боевых самолетов. Вначале самолетные ОКБ и фирмы проектировали КК для каждого из своих самолетов, позже появились специализированные фирмы.
Наиболее известные среди них - английская специализированная фирма Мартин-Бейкер (Martin-Baker), катапультными креслами которой оснащались большинство зарубежных самолетов, и отечественное научно-производственное предприятие "Звезда"

(Генеральный конструктор Г.И. Северин), специализирующееся на разработке систем жизнеобеспечения и спасения экипажей всех видов ЛА. По оценкам зарубежных специалистов, унифицированное катапультное кресло К-36 этого предприятия, которое может спасать летчика на всех высотах при скоростях до 1400 км/ч, в настоящее время является лучшим средством спасения в мире.

Система аварийного спасения (САС) современного боевого самолета представляет собой комплекс сложных агрегатов и отдельных самостоятельных систем, включающих в себя:
- средства обнаружения неисправностей и выдачи сигнала о необходимости катапультирования;
- систему открытия аварийного выхода;
- систему аварийного покидания, обеспечивающую экипажу возможность покинуть ЛА при его аварии;
- средства, обеспечивающие защиту экипажа от ударов и высотных факторов;
- средства, обеспечивающие выживание экипажа после приземления (приводнения).
Сигнал о необходимости катапультирования (воздействие на привод управления катапультированием) подает летчик на основании визуальной и (или) инструментальной (приборной) информации о параметрах движения самолета и работоспособности всех его систем. Сигнал о принудительном катапультировании может подать без участия летчика бортовая автоматическая система управления (см. раздел 7.6), если какие-либо параметры самолета и его систем изменяются с недопустимой скоростью в неблагоприятном направлении, например угловые скорости вращения СВВП на режимах взлета и посадки, когда летчик чисто физически не успевает принять и реализовать решение о катапультировании.
После воздействия на привод управления катапультированием (рис. 15.34) все элементы системы аварийного спасения срабатывают автоматически от пиромеханизмов и процесс спасения идет по следующей схеме.

Рис. 15.34. Схема процесса спасения при катапультировании

1. Подготовка к катапультированию:
- срабатывают пиромеханизмы плечевого и поясного притяга летчика, обеспечивая правильную исходную для катапультирования позу летчика в КК;
- пиротехническая система обеспечивает сброс фонаря 1 (или крышки люка) вверх и назад, в случае отказа системы сброса или заклинивания фонаря летчик может катапультироваться через его остекление;
- срабатывают ограничители разброса рук 3, фиксаторы ног 4, предотвращающие повреждение конечностей воздушным потоком, голова фиксируется в ложементе заголовника 2;
- разблокируется и включается энергодатчик 5.
2. Движение системы "летчик - катапультное кресло" в направляющих рельсах:
- под действием газов стреляющего механизма (1-й ступени энергодатчика - КСМ 5) кресло с ускорением начинает двигаться в направляющих рельсах кабины;
- при движении КК по направляющим рельсам до момента выхода его из кабины вводятся в действие агрегаты автоматики кресла, обеспечивающие работу всех его систем;
- расстыковываются разъемы объединенного разъема коммуникаций: прекращается питание электрооборудования кресла от бортовой сети самолета, коммуникации бортового оборудования самолета отсоединяются от высотного снаряжения летчика, включается подача кислорода летчику от кислородного баллона кресла, обеспечивающего дыхание летчика до снижения на безопасную высоту;
- в зависимости от скорости полета вводится (или не вводится) в поток закрепленный на конструкции кресла дефлектор 6, обеспечивающий дополнительную защиту летчика от действия скоростного напора;
- включается пиромеханизм системы стабилизации, вводящий в поток телескопические штанги 7 с закрепленными на них стабилизирующими парашютами 8;
- разъединяются трубы стреляющего механизма (1-й ступени КСМ), пиромеханизм-воспламенитель включает пороховой заряд ракетного двигателя (2-й ступени КСМ), кресло сходит с направляющих рельсов и совершает полет по траектории.
3. Полет системы "летчик - катапультное кресло" по траектории на начальном "активном" участке происходит с работающим ракетным двигателем. Траектория полета и угловое положение кресла на траектории зависят от высоты, положения и скорости полета самолета, при которых произошло катапультирование, а также от того, каким образом осуществляется стабилизация кресла.
4. Ввод спасательного парашюта и разделение системы "летчик - катапультное кресло". Основной (спасательный) парашют может быть введен на определенной скорости движения системы (допустимой скорости ввода парашюта, определяемой возможностью наполнения купола парашюта и прочностью купола и стропов). Торможение и снижение системы "летчик - катапультное кресло" до допустимой скорости и высоты ввода парашюта можно обеспечить последовательным вводом стабилизирующих и тормозных парашютов двухкаскадной или трехкаскадной парашютных систем.
В рассматриваемом нами примере для интенсивного ввода основного парашюта и надежного разделения кресла и летчика используется пиромеханизм ввода парашюта, который под действием газов сработавшего пиропатрона отстреливается вместе с заголовником от кресла. При отстреле заголовника:
- резаки (гильотины - франц. guillotine) перерезают ремни притяга плеч, освобождая плечи летчика от связи с креслом;
- раскрывается находящаяся в заголовнике 2 камера парашюта и спасательный парашют 10 выходит из камеры и чехла 9;
- срабатывают резаки ремней притяга пояса и ног, освобождая летчика от связи с креслом, ограничители разброса рук освобождают руки летчика, разделяется разъем коммуникаций, связывающий высотное снаряжение летчика с кислородным прибором кресла;
- сила отдачи при отстреле заголовника отбрасывает кресло от летчика вниз, наполняющийся купол парашюта тормозит движение летчика, и летчик вместе с носимым аварийным запасом (НАЗ), размещенным в ранце 12 с жесткой крышкой-сиденьем 11 в нижней части привязной системы, связывающей летчика со стропами парашюта, спускается на наполненном куполе.

5. Спуск летчика на спасательном парашюте. После разделения системы "летчик - катапультное кресло" срабатывают пирорезаки и ранец НАЗ 12, в котором уложены продуктовый запас, лагерное снаряжение, средства сигнализации и медицинская аптечка, отделяется от крышки 11, удерживаясь на ней с помощью фала (голл. val - трос) 13, выходит плавучий автоматический радиомаяк 14, который включается в работу и подает аварийные сигналы при спуске летчика на парашюте и при приземлении (приводнении). При спуске на воду по сигналу летчика из крышки выходит и автоматически наполняется надувная спасательная лодка 15.
Такая система обеспечивает высокую вероятность спасения экипажа военного самолета в широком диапазоне скоростей и высот полета.
При катапультировании на стоянке или на малой скорости при рулежке, взлете и послепосадочном пробеге подъем по траектории осуществляется в нестабилизированном положении, а ввод спасательного парашюта производится при приближении системы "летчик - катапультное кресло" к вершине активного участка траектории.
При катапультировании на высоте до 5000 м система "летчик - катапультное кресло" поднимается по траектории в стабилизированном, устойчивом положении, проходит над килем самолета, спасательный парашют вводится в начальный момент снижения системы "летчик - катапультное кресло".
При катапультировании на высоте более 5000 м и высокой скорости полета система "летчик - катапультное кресло" поднимается по траектории в стабилизированном, устойчивом положении, проходит высшую точку траектории и далее снижается, спасательный парашют вводится на высоте, не превышающей 5000 м.
Носимый аварийный запас облегчает процесс поиска наземными службами и поддерживает жизнедеятельность летчика (и других членов экипажа) военного самолета, катапультировавшихся и совершивших вынужденную посадку с парашютом.