直升機抗墜毀淺析

陳亮 辛亮 李雪松

1、前 言

武裝直升機的生存性技術包括低被探測性、高抗彈傷能力和適墜性能。它裝備有空地、空空導彈、反坦克導彈、火箭、航炮等多種武器，它們不僅能對地面目標實施低空、超低空，甚至貼地飛行攻擊，還能攻擊空中目標。在現代戰爭中，武裝直升機發揮著巨大的威力和不可替代的作用。但是，武裝直升機由于其作戰飛行處在低空或超低空領域，發動機紅外輻射強，容易被探測，因而易受到紅外制導和雷達制導武器的攻擊。同樣，由于飛行高度低，非正常接地前駕駛員選擇的操縱動作的反應時間短，易墜地受損。因此，要求武裝直升機有很高的生存性。

2、直升機抗墜毀設計

武裝直升機抗墜毀設計是以駕駛員/乘員的生存性為前提的。目前美、歐諸國已經把耐撞性（生存性）作為軍用直升機初始設計階段中與重量、載荷因子、疲勞壽命同等重要的關鍵問題來考慮。抗墜毀設計主要集中在起落架、主機身、座椅和約束系統、燃油箱及燃油管路系統上。

2.1 直升機抗墜毀的概念設計

直升機墜毀過程產生的傷害源主要來自于三個方面，第一是突加（減）速度引起的作用于駕駛員/乘員身上的慣性過載力；第二是駕駛員/乘員直接與硬表面接觸碰撞引起的傷害；第三是環境因素造成的損害，如燃油泄漏引起的火災，濃煙導致的窒息，溺水，化學物質引起的中毒等。抗墜毀設計必須考慮所有可能傷害源的影響，在允許的墜毀工況下（包括墜毀速度、環境和姿態），避免或盡可能減輕傷害源造成的后果。值得注意的是，結構抗墜毀常常是以犧牲飛機的有效載重/重量比為代價的，而這一點恰恰是飛行器設計中最為敏感的問題，因此要使這種代價降低到最小程度，就不是單一的從增加機體結構的動強度去考慮。對UH-60黑鷹直升機和AH-64阿帕奇直升機的抗墜毀設計研究表明，僅僅只有3 7%空重增加就足以滿足抗墜毀的各項指標。而在直升機的抗墜毀設計中基于吸能防護結構的計算機優化系統設計是關鍵技術。

2.2 起落架的抗墜毀設計

合理的設計起落架是為了直升機整體抗墜毀的需要，包括：①保證乘員/駕駛員有足夠的生存空間。②保證作用于人體的加速度限制在可生存的水平以上。③防止機載物件脫開產生二次撞擊對乘員/駕駛員構成傷害。④避免槳葉及其他尖銳構件刺破主輔駕駛艙。⑤防止燃油泄漏引起的墜毀后火災。⑥在結構上保證有效的緊急撤離通道。

2.3 主機身結構的抗墜毀設計

在作為抗墜毀的第一道防線起落架被破壞以后，主機身觸地，主機身結構就形成保護乘員/駕駛員的第二道防線。過去的墜毀事故表明，乘員/駕駛員被擠壓死亡和二次撞擊死亡的情形十分普遍。因此，駕駛員/乘員艙在墜毀中必須限定其最大壓扁量（變形量），通常不能超過15%。設計要求機體結構在綜合性能方面具有足夠的強度和良好的塑性變形能力，以便最大程度地吸收動能和減緩沖擊力的影響。機身抗墜毀設計主要集中在下腹部。為了盡可能減輕重量，優化吸能材料和優化吸能結構被應用到機艙的地板設計中，前者主要是依靠選用塑性區段長的材料來實現，注意如果復合材料被選用，則它的能量吸收特性至少應當與傳統航空輕金屬材料（如鋁合金）的能量吸收特性相媲美。鋁合金的失效應變是碳釬維復合材料的24倍，而能量吸收能力則高出64倍，說明碳釬維復合材料作為吸能材料是不合理的；后者主要是依靠選用一些特殊的結構形式來實現，如：波紋板、開縫圓管或方管、撕裂型蘑菇圓管、壓屈型皺管和蜂窩結構等，通過它們在沖擊過程中的失效模式（如：連續壓碎、撕裂、皺曲）來吸收大量的能量，同時減緩沖擊力的幅值。墜毀期間對駕駛員/乘員生命構成威脅的另一危險就是旋翼穿透駕駛艙區，AH-64采用了獨特的旋翼支撐結構設計，起到了很好的保護作用。它的旋翼支撐到靜軸外側的軸承上，轉動軸通過靜軸中間通道與支撐連接，而靜軸固定在與直升機機身頂部連接的桁架結構的基座上，這樣一來對旋翼系統形成了可包容性，有效防止旋翼的斷裂。另外值得說明的是，在縱向撞擊條件下，前駕駛艙可能會出現變形過大而使得生存空間不足，這時后駕駛艙人員的生存安全系數無疑仍然較高。

2.4 座椅和乘員約束系統的抗墜毀設計

首先座椅本身必須設計有足夠的強度，在沖擊力作用下聯接件不產生脫落和嚴重挫位，并能與艙內其他構件保持協調結合，較好的方式是將座椅底部和背部裝配到駕駛艙的地板和后壁板上，以幫助平衡上下載荷與縱向載荷；第二，座椅同樣需要設計能量吸收系統，它的靠背通過上下滑道聯接到機艙后壁板上，可上下移動，底部與液壓緩沖能量吸收裝置聯接，這個裝置載荷行程曲線非常平坦，表現出極好的能量吸收能力，機體腹部有優化組合的能量吸收材料和結構系統；第三，座椅周圍應有足夠的空間，以便在座椅產生各方向變形時不會與其他結構產生相撞而導致能量吸收器的失效。

乘員約束系統是為乘員在受到沖擊和身體與結構接觸碰撞時，使之免受傷害或受傷可能性降低至最小程度而設計的。約束除包括自動自調安全帶、航空服、頭盔以外，還涉及乘員的沖擊環境。美軍AH-64設計對乘員頭部和肢體提出了專門的保護規定。主要有：①剛硬結構元件盡可能遠離頭部所能接觸的范圍內。②在頭部可能觸及到的區域內，必要機件控制臺、儀表板和電氣聯結盒等應采用合適的吸能襯料、光滑外型表面，合理選用易碎板（其破壞應力低于頭骨破壞應力）還是韌性材料。③上下肢應設計吸能襯套，腳操作系統的周圍應有足夠強度，以確保下肢在事故中不被夾住或壓壞等。

2.5 燃油箱及燃油管路系統的防護設計

對主燃油箱的防護是直升機抗墜毀設計的重要環節。設計要求燃油箱設置在遠離乘員區以及因墜毀引起結構變形可能使油箱被破壞或穿透的地方，油箱的支撐結構與油箱有足夠的連接強度以防止接頭的脫落。油箱本身要求由韌性好，塑性區段長的耐撞性材料（具有阻燃性能）制成，這種材料保證在規范確定的可生存墜毀條件下，油箱只產生大的塑性變形而不會出現撕裂，從而使燃油不發生泄漏，避免與空氣接觸發生火災。除此以外，美軍AH-64對燃油管路的設計也考慮了耐撞性，如規定管路具有較大的自由伸展余地，并通過碰撞易碎夾支撐固定管路來實現這一點，從而使直升機墜毀時管路系統可隨結構變形而伸長或移動，不傳遞高的拉伸應力。