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日志

 
 

现代战斗机侧置驾驶杆与大后倾角座椅的关系和未来  

2009-11-01 17:40:50|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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大后倾角座椅和侧杆操纵的兴起

 

战斗机的飞行控制系统是综合考虑到技术性能和操作要求后的结果,随着机载计算机和航空电子设备综合化水平的提高,西方国家第三代战斗机都已经实现了手不离杆的操纵标准。战斗机驾驶杆在传统上是按照在飞行员双腿之间的中立位置上,现代化战斗机的座舱布局在整体上与早期喷气机的差别也不明显,但随着F-16战斗机的服役和在全球范围内多个国家的广泛装备,侧置驾驶杆在多种新型战斗机上得到更加广泛的应用。

 

解析F-16驾驶杆位置的应用原因

 

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小体积和腹下进气造成YF-16有尖细的机头设计

美国在上世纪70年代发展的YF16是首个使用侧位杆的喷气战斗机,,同时也是首个采用30度大后倾角弹射座椅的战斗机,因为侧位杆是与大倾角座椅同时出现在国外第三代战斗机上,所以想要了解侧杆存在的原因就必须清楚这两者之间的关系。F-16率先采用侧杆是因为F-16是采用机腹进气道的轻型超音速战斗机,YF-16要在轻型战斗机的标准内布置机腹进气道和保证气动阻力就必须控制迎风面积,因此YF-16原型机有着当时超音速战斗机中极其罕见的狭小机头。观察YF16原型机就可以感受到其驾驶舱布置空间上的局促,实际上就是在扩大了前机身直径的F-16A,当飞行员上半身暴露在机身上时驾驶舱地板也已经接近机身底部结构框架。YF-16受到驾驶舱垂直高度的限制而难以布置采用正常后倾角的弹射座椅,因此在设计上采用了后倾30度的半仰式弹射座椅来解决驾驶舱空间不足的问题。

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图注:YF16明显突出的座舱盖和狭小的前机身

后倾座椅降低机身垂直方向尺寸的观点可以从坦克发展中得到证实,二战期间和战后初期的坦克驾驶员座椅基本为正姿,驾驶员的座姿高度就成为了坦克车体内部净高度的最低极限。大战期间的坦克经常可以发现在车体上有个高于前部倾斜装甲的突出台阶,战后出现的T-54、M48、M60这些坦克的车体高度也必须满足驾驶员在车体内的高度。常规坦克炮塔的高度因为需要安装武器和观瞄设备而难以降低,因此降低坦克总体高度最直接的方法就是降低车体的高度,美国和德国设计的MBT70为降低车体的高度甚至将驾驶员也塞进了炮塔。现代坦克能够在防护和火力等方面全面超过早期坦克的基础上大幅度降低高度,其最重要的改进就是将驾驶员的座椅由正姿改为后倾,通过调整驾驶员在坦克内的座姿来降低驾驶员垂直高度,而F-16战斗机采用后倾座椅的最初目标同样应该是处于类似的目的。

 

YF-16采用后倾座椅确实有效的解决了驾驶舱垂直高度不足的问题,但随之而来的问题就是飞行员上身后倾后手臂活动范围也向后移动,飞行员上身后倾30度时手的最佳活动位置是在座椅前方弹射拉手处(读者可以自己实验一下以便证实),上身后仰的飞行员的手很难再握得到正常安装的中央驾驶杆,加长驾驶杆的高度虽然可以解决这个问题却对影响到弹射的安全性和干扰对仪表板的观察。电传飞行控制系统的实用化使驾驶杆不再需要硬联接操纵拉杆(索),因此驾驶杆也就可以根据实际情况的需要更加灵活的调整安装位置,采用安装在驾驶舱侧方仪表台上的侧杆就成为与后倾座椅配合的有效方法。侧杆因为安装在驾驶员一侧就可以解决驾驶员手臂活动空间不足的问题,大后倾角弹射座椅只有采用了侧杆才具备驾驶员使用的基本条件。战斗机采用的侧杆操作系统和大后倾角弹射座椅之间有着直接的因果关系,也就是说侧杆目前只有配合大后倾弹射座椅才可以发挥其作用,而没有采用类似座椅的战斗机则基本没有采用侧方驾驶杆设置的实例。

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 从YF16的剖面图上可以发现其座舱内部空间非常紧张,飞行员在机体内部的垂直高度受到结构的明显限制

解析大后倾角弹射座椅抗载荷的观点

 

侧杆是在大后倾角座椅与电传飞行控制系统达到实用化标准后才开始应用,侧杆的出现既然可以判断出与大后倾角弹射座椅的出现有直接的关系,那么首先就要清楚大后倾角弹射座椅在实际使用中的价值,通过对大后倾角和正常倾角弹射座椅的性能进行综合比较,才可以感受到目前侧杆与中央杆共同存在的关键和不同用户所做选择的原因。

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图中YF16的试飞员座姿同样可以看出机体空间上的紧张

现代化战斗机在格斗空战的机动过程中需要频繁进行大过载机动动作,飞行员承受7G以上甚至9G载荷的时候容易出现因过载影响,分别会影响飞行员判断、行动到随红视、灰视和黑视造成的意识丧失,因此使飞行员在机动过程中保持适当的后倾姿态以降低头部和下肢的高度差,与抗荷服和氧气系统共同作用就能够有效降低过载反应。F-16采用的大倾角座椅被宣称能够保证飞行员提高飞行员抗过载值约1.5G,试验确实也证明了身体后倾可以提高飞行员对过载的耐受能力,但是根据国外航空医学实验单位对飞行员座椅倾角与抗载荷关系的试验结果来看,F-16等机型采用的后倾30度座椅与传统的13度倾角座椅相比,在大过载机动飞行时飞行员抵抗载荷的标准上并没有什么优势,在某些情况下甚至比起常规中等倾角的同类座椅还要略差。

 

国外航空医学专家在离心机试验过程中证实了30度倾角的座椅效果并不好,在试验状态下30度座椅的抗荷能力比13度(飞行员上身接近正姿)还要差,而且在载荷快速增加的情况下使用大倾角座椅更容易出现对过载的不良反应,大倾角座椅在离心机试验中丧失视力的突然性和持续时间比小倾角座椅也要明显。出现这个问题的原因被认为是大倾角座椅影响了飞行员对过载变化的适应,因为后倾角度比较大的座椅使飞行员在常规飞行时是身体比较放松,这样对于没有提前对过载的出现进行姿态调整的飞行员来说,导致从放松状态突然转入紧张的抗过载运动时的转换过程太过剧烈,飞行员出现过载导致的视力影响的过程比常规倾角座椅更迅速也更突然。国外很多航空医学专家认为飞行员在准备进入大过载飞行时,最好提前采用直座的姿势来调整身体状态以对抗载荷的突然变化。YF16飞行员的脚踏板采用大后倾弹射座椅后的位置抬高了152毫米,理论上确实起到了有效提高飞行员抗过载能力的作用,但是在YF16开始试飞的时候就已经发现30度后倾角过大的问题,也曾经考虑过将YF16的弹射座椅后倾角降低到25度的改进意见,但是最后在总体布局的考虑下并没有对弹射座椅的角度进行改动。YF16采用侧杆所获得的高G条件下跟踪能力的改善和操作省力的优势,实现的主要途径是电传操作系统和力敏感操纵杆的作用而不是因为侧杆。

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图注:注意看图中YF16YF17驾驶员的姿态,可以发现两机驾驶员的身体基本都是正直的。YF17虽然采用了常规的中央驾驶杆位和立姿弹射座椅,但是通过将弹射座椅的后倾角由常规的13度提高到18度,同样起到了提高飞行员下肢高度以加强抗过载能力的作用。

 

大倾角座椅在高过载机动飞行中同样难以获得理论上抗载荷的收益,关键就是战斗机在机动飞行时飞机攻角造成的影响,致使大倾角座椅在实际上难以体现抗荷能力的效果。现代战斗机在进行剧烈的高机动空战机动时要保持相当大的攻角,飞机的攻角在一般情况下都会保持在10~15度的范围,在进行部分极端机动动作条件下飞机的攻角甚至可以达到或超过20度。飞行员在采用13度后倾角的常规座椅进行高攻角的大载荷机动时,飞行员的后倾角实际上是座椅倾角和飞机攻角的综合。战斗机以15度攻角机动时飞行员的综合后倾角将接近水平30度,而采用30度倾角座椅的战斗机飞行员将达到45度的综合后倾角。飞行员在机动空战中不但要驾驶飞机完成必要的飞行动作,而且在机动过程中还必须保持对目标和空域情况的了解,因此当飞行员后倾的综合角度超过40度后则前向视野明显下降(被机头阻挡)。飞行员在格斗空战中如果仍然采用目视的方法进行空域情况观察,只有将身体直立起来才能消除机头水平方向的观察盲区,所以采用大倾角座椅的飞行员在空战中的座姿与常规座椅基本相同。

 

侧杆的优势和未来发展前景

 

中置杆和侧杆的选择是座椅后倾角不同导致飞行员身体状态的差异,也可以说没有大后倾角座椅在技术上也不存在侧杆的必然性,但目前侧杆操纵系统的应用已经不再仅仅局限在F-16这个机型,而是有越来越多的战斗机设计上采用了后倾座椅和侧杆操作系统。采用正常倾角弹射座椅的飞行员如果采用侧杆,则驾驶杆安装位置必须满足下臂动作空间的要求,而狭窄的战斗机驾驶舱不可能在驾驶杆安装点上留出这么大的水平长度,要不改变EF2000座舱布置时采用侧杆则最佳安装位置将在仪表板内。大后倾角的座椅在抗过载方面确实没有表现出超过常规倾角座椅的优势,大倾角弹射座椅和侧杆操纵系统目前不具备取代常规设计的技术能力,仍然有很多技术上的问题和观点制约着侧杆的应用,但是侧置驾驶杆在人机功能方面确实有着不可忽视的有利之处。大倾角座椅和侧杆在长时间飞行时有着比较好的舒适性,飞行员在正常巡航飞行状态可以使身体和手臂更加放松,有利于在长时间飞行时降低飞行员的身体疲劳和精神紧张程度。采用侧杆的战斗机在飞行时飞行员手臂同样可以获得放松的机会,而中央杆在驾驶时虽然电传操纵系统不需要飞行员对驾驶杆施加大的力量,但是握杆时虚悬在身体上的手臂会造成飞行员身体的紧张与疲劳。侧杆在人机工程方面的优势对需要长时间飞行的飞行员是有利的,这也是美国开发先进战斗机时侧重于采用侧杆操纵系统的原因。

 

大后倾弹射座椅在改善飞行员观察条件上还能够发挥重要的作用。凸出于机身的座舱透明件对飞行员的对外观察有直接影响,但是突出在战斗机机身上方的座舱也是飞机阻力的重要来源。MIG-29、“幻影”2000和FC-1牺牲了座舱的后向视野以降低高度,就是为了削弱飞机驾驶舱阻力对飞机性能的影响。侧杆操纵系统与常规中央驾驶杆需要的驾驶舱整体容积是基本相同的,侧杆的浅而长和中央杆的深而短在占用机身体积上的差异不大,但是采用侧杆飞行控制系统的座舱透明件容积和结构重量都比较大,座舱透明件采用无框整体舱盖则结构重量比分体式增加的更加明显。侧杆通过降低飞行员在垂直方向的高度可以降低机身的直径,也就可以通过机身减阻获得的效果来抵消大体积座舱盖的阻力,在采用凸起的水滴形座舱获得全向视野的同时保持飞机的气动性能。战斗机驾驶舱视野和飞机前机身的正面投影面积始终是个难以调和的矛盾,大倾角座椅在确保驾驶舱透明部分空间要求的情况下,能够使前机身理论截面积比常规倾角座椅明显降低,这个优势对于强调机体减阻的战斗机来说有很大的吸引力。

 

现代化战斗机的仪表板上各种显示内容越来越多也越来越复杂,虽然采用多功能显示器的全玻璃座舱对显示条件有所改善,但是目前战斗机正面仪表板空间狭小的问题仍然使显示设备的布置非常紧张,飞行员双腿之间的仪表板部分同样布置有仪表或显示器。布置在飞行员双腿之间仪表板位置的显示装置大多是起备份作用的辅助系统,采用中央驾驶杆的战斗机在设计上也要尽可能避免驾驶杆干扰对仪表的判读,但是中央驾驶杆在狭窄的驾驶舱内仍然会遮蔽和干扰部分显示系统的判读。侧杆操作系统把驾驶杆安装在机舱侧面的仪表台上,这就可以使飞行员能够直接目视观察正面仪表板的全部显示设备,对于机舱内显示装置的布置科学性和利用率都能够起到很好的作用,座舱显示装置的玻璃化程度越高则侧杆的优势就越明显。

 

F-16采用大倾角弹射座椅主要是为了回避飞机结构上存在的限制,虽然理论上大倾角座椅和侧位驾驶杆的战斗机有比较好的抗载荷条件,但是无论是F-16还是F-22的实际使用经验都证明9G是个难以超越的关口。采用后倾座椅后对飞行员抗载荷条件上的效果并不明显,可是目前采用大倾角座椅和侧位驾驶杆的战斗机种类却在不断的增加。F-16开始采用的侧杆在后来的先进战斗机发展中得到了比较广泛的应用,F-22/35和“阵风”这些机型都采用了侧位操作杆,侧杆和中央杆在现代战斗机座舱布置和应用范围上已经并驾齐驱。侧杆不利于双手交替或单手负伤后驾驶飞机的观点并没有实际意义,因为现代战斗机基本都装备有非常完善的自动飞行控制系统,电传操作的飞机在长时间巡航飞行时不需要飞行员始终把紧驾驶杆,即使不考虑自动驾驶仪的作用也不容易使飞行员手臂疲劳,而飞行员出现右手战伤的比例也不可能高到需要调整驾驶杆位置的程度。现代战斗机选择多大倾角的弹射座椅取决了对战斗机的整体,即使是基于类似观点所开发的战斗机因为任务要求不同也会存在很大的差异。美国开发的F-16是第三代战斗机的经典和很多国家参考的经典,但以色列在利用F-16技术发展的“狮”式战斗机却并没有继承F-16的座舱设计,而是在“狮”式战斗机上采用了常规弹射座椅和标准的中央驾驶杆,这也可以从侧面反应出大倾角座椅和侧杆并不是放之四海而皆准的先进思想。

 

按照目前世界战斗机技术发展的整体趋势来对比侧杆和中央杆的优劣,可以看出侧杆在显示界面的开敞性能和直观性,飞行员对机内、外观察和判断的准确性与即使性方面都优于传统的中央杆位。采用侧杆和后倾座椅的设计即使在飞行员抗过载上没有什么突出的优点,仅其有利于驾驶舱整体设置和仪表布局的优点就有很大吸引力,新型战斗机发展过程中对航电和座舱显示系统越发重视,而在设计上提高这些方面条件的关键就是让飞行员获得最好的观察条件,这恰恰是侧杆操纵系统在技术和功能上具有先天优势的范围,有人战斗机驾驶杆正、侧位之争既将最终以侧杆的胜利而结束。战斗机飞行员的观察条件和抗载荷能力直接作用到座舱的总体布置,战斗机由各种传感器组成的观察系统如果能够基本取代目视的功能,飞行员完全依靠传感器和显示器驾驶飞机就可以更灵活的进行布置,真正满足大载荷要求的超大后倾角弹射座椅也许会成为事实。未来的战斗机飞行员也许不再需要坐在带透明舱盖的驾驶舱内,战斗机智能化自动飞行控制系统实用化后甚至不再需要飞行员,但目前发展中的新一代战斗机时侧杆相对中央杆拥有更好的整体性能,更适合第四代高性能战斗机座舱整体设计和飞行控制上的需要。

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美国最新的F-35采用侧杆和大面积显示器

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中国自行开发的先进座舱显示和控制系统采用与F-35类似的侧杆

 

 

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