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2021/07/17 

軍事論壇

【軍事論壇】先進彈射座椅 戰機飛行員護身符
F-35戰機Mk16E彈射座椅,經過製造商洛馬公司與馬丁貝克公司積極協同研發改進,再經滑軌測試通過驗證,美國空軍因而取消體重不足62公斤飛行員不能駕駛禁令。(取自馬丁貝克公司網站)

◎許邁德

 不論古今中外,戰機飛行員的作業環境皆屬高風險,因此在飛行載具的設計上,除考量作戰性能外,飛行員的存活率亦同等重要。唯有如此,才能在執行任務當中,同時兼顧到作戰需求與飛行員的生命安全;此乃基於人性考量,以及培養高素質、有戰力的飛行員,其國防投資往往高過戰機的採購成本。

 任何最先進的戰機,都有可能發生系統故障、操控疏失,或是遭到敵方攻擊而受損等不預期狀況,所以在確保飛行員生命的設計上,當戰機狀況無法挽回,最後手段就是啟動高存活率的彈射座椅。本文即針對彈射座椅的保護機制研發背景、彈射跳傘滑軌測試、彈射座椅與座艙罩配套設計,以及最新發展趨勢做介紹。

  二戰期間即展開研發

 早期的飛機因速度較慢、機翼較大,若飛機發生不預期狀況時,飛行員大都可採用飄滑的迫降航線,或是自行打開座艙罩來跳傘逃生,從而獲得存活的機會。後來的飛機因速度加快、重量增高、機翼較小,以及失去推力後的飄降距離也變短等限制因素,彈射座椅便在第二次世界大戰期間,逐漸成為戰機的制式配備。

 初期研發階段,座椅的彈射動力採用高強度的壓縮空氣,然因氣體密封的維持與動力強度都不符合設計需求,該階段的研發終告失敗,號稱「零代彈射座椅」。隨後發現,以炸藥驅動的方式較可靠,而改用火箭動力,此階段研發成功而號稱「第一代彈射座椅」;德國先於1943年開始量產,並配置在德製的He-162/219、Do-335等型戰機上。

 第二次世界大戰後,美、英、俄等國航空工業居於領先地位,彈射座椅研發自然也同步成長。當前較知名產品有美國「先進概念彈射座椅」(ACES),不同型號分別配置在A-10、B-1B、B-2、F-15、F-16、F-22、F-117、T-46A等型戰機;而英國「馬丁貝克」彈射座椅,不同型號分別配置在F-4、F-5、F-14、F-35、PC-9、T-6C等型戰機;俄國K-36彈射座椅,用於MiG-25、MiG-29、SU-27、SU-57、Yak-36、Yak-38等型戰機。不論是那國產品,都採用先進全自動彈射程序,飛行員只要啟動彈射機關,從座椅彈射、座艙罩彈開(或向外炸開)、人椅分離、降落傘開啟等程序全都自動完成,因而號稱「第二代或三代彈射座椅」。

 對照上列彈射座椅,法製幻象2000、美製F-5(改裝後)等型戰機配置英國馬丁貝克產品,F-16戰機則配置美國先進概念彈射座椅。唯獨F-5E/F戰機在改裝前,使用的是「諾斯洛普」公司自行發展的T-38/F-5型彈射座椅;後因該公司在1994年與「格魯曼」合併,為求節約研發成本而停止彈射座椅的研製,所以F-5E/F戰機的後續改裝便採用英國馬丁貝克系統。目前美製F-5E/F戰機,規劃在2021年底更換馬丁貝克「Mk16」彈射座椅;當F-5E/F戰機汰除時,此套最先進的彈射座椅亦可改裝至其他戰機。

 檢視彈射跳傘逃生的存活率,除與彈射座椅的性能有關,更重要的是彈射時的飛行高度、速度,以及姿態等限制。早期戰機彈射座椅的最低安全限制,大都為平飛或爬升中、高度1500呎、時速150浬;隨後大都加強彈射火箭的動力系統,陸續提升為零高度、零速度,唯一的安全限制是,戰機不能倒飛與大角度下降率而已。

  滑軌測試驗證緊急逃生需求

 美、英、俄等國所設計的彈射座椅,其跳傘逃生的存活率都高達9成以上,最主要的是在研發階段有一項極為特殊的「滑軌測試」。測試時,在戰機前段的座艙內,放置彈射座椅與全身配裝感測器的假人,另在座艙後面裝置動力強大的火箭推進器,接著在類似鐵路的地面軌道上,模擬各種飛行速度,甚至達到超音速,而逐次啟動彈射程序,再經由高速攝影機、感測器等的歷次紀錄資料,分析假人在各種速度跳傘逃生時的氣動力與全身受力狀態,驗證彈射座椅的安全使用速度範圍,或是必須進一步修改座艙、彈射座椅等的搭配條件,以符合飛行員安全逃生的緊急需求。

 此外,參與滑軌測試的假人亦有體重的考量。2015年8月27日,美軍限制體重低於62公斤的飛行員,暫時不能駕駛F-35型戰機;所幸此項禁令當時只影響到1位飛行員,而首位F-35戰機女性飛行員,並未受到影響。

  美軍發布飛行員體重限制原因,係F-35戰機Mk16E彈射座椅滑軌測試中發現,若在低速飛行時彈射,體重少於62公斤的假人,會因與彈射座椅整合後重心偏移,容易造成彈射後「人椅分離」前的過度旋轉,接著在人椅安全分離後的開傘瞬間,可能會造成飛行員頸部因開傘的拉力而受傷,甚至會造成更嚴重傷害。因此,美軍一度考慮F-35戰機更換為聯合技術公司ACES 5彈射座椅模組。但之後經由製造商洛馬公司與彈射座椅廠商馬丁貝克公司,積極協同研發改進,再經滑軌測試通過驗證,美國空軍因而取消此項禁令。

  配套設計安全性更高

 早年飛行員彈射跳傘時不幸殉職,經事故調查發現,啟動彈射時完全符合最低安全跳傘限制,然因座艙罩未能依程序自動彈開,造成飛行員的頭部撞擊到座艙罩受重創而殉職。經此案例檢討,爾後彈射座椅的後上方都加裝「座艙穿刺器」,以備座艙罩萬一未能彈開時,也會先刺破座艙罩,而降低飛行員頭部受傷的風險。

 為預防座艙罩未能正常彈開,除加裝座艙穿刺器,部分戰機座艙罩亦改裝「座艙傳爆線」;諸如美國F-35、俄國SU-57、Ka-50/52等。座艙傳爆線係貼置在座艙罩內部上方的微型傳爆系統,當啟動彈射座椅時,先引發座艙傳爆線把座艙罩向外炸開,讓飛行員與彈射座椅能安全穿出座艙位置。此外,座艙傳爆線並不會影響飛行員的艙內活動與對外視線,甚至還有降低座艙內噪音的附加功效。

  俄首創直升機彈射椅

 早期各國所使用的初級教練機,大都因速度較慢、機翼較大的螺旋槳機型,基於成本考量而沒有安裝彈射座椅,但近期則隨人性考量的安全需求,自2001年之後出廠的初級教練機,已開始安裝彈射座椅逃生系統。例如美製T-6C初級教練機,英國馬丁貝克的彈射座椅則是其標準配備之一,而南韓研發的匿蹤戰機KF-21亦將配備馬丁貝克Mk18彈射座椅。

 另檢視1995年8月28日正式加入俄國空軍服役的Ka-50/52攻擊直升機,依作戰需求與考量飛行員的存活率,首創比照定翼戰機而裝置彈射座椅。當啟動K-37-800型彈射座椅時,將依序炸開同軸反轉雙旋翼、座艙罩,點燃座椅彈射火箭,讓飛行員的人椅隨時脫離直升機,接著在人椅分離後自動張開降落傘,以確保飛行員安全著地。俄國攻擊直升機加裝彈射座椅的首例,是否會影響其他研發國家的效法,且讓我們賡續觀察最新彈射座椅的市場發展;但可確定的是,人性考量的安全需求絕對是發展趨勢的主流。(作者為飛安專家)

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