AA82276761 2014-10-27 03:19
大陸殲-10的抗過載發展
引語
殲-10在定型時，它允許9G飛行過載的10秒最大持續時間只有F-16的2/3，在三代機中只能算是二流水平；而直到數年之後，才通過相關設備、配套訓練體系的改進達到15秒的西方主流水平。（所有數據均來自公開論文、專著明確指出的型號、性能指標）
一．戰鬥機飛行員基礎過載能力僅耐受10秒鐘4.25g過載，趙偉飛9G依靠3秒安全規律
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在離心機中持續5G時失去意識的戰鬥機飛行員
對於任何一款三代機來說，強大動力的最大意義都是體現在加速和爬升能力上——尤其是外掛的武器彈藥、燃油大幅加大了重量與阻力之後。限制新型戰鬥機較長時間發揮極限飛行性能的最大瓶頸，早已轉移到飛行員對於過載的忍耐能力上。當駕駛者已經失去視力和意識，或者無力再繼續進行高機動飛行的時候，飛機無論還有多少動力和機動性能剩餘都已經毫無意義。
在飛行過程中，飛行員會承受多種方向上的過載。我們常常說的9G過載是通過升力產生，從機翼下方指向機翼上方的法向過載，又稱為正過載，通常在飛機進行盤旋的時候出現；此時人體需要承擔額外的重力，大小則取決於飛行動作的猛烈程度。類似的情況我們在日常生活中也可以遇到，比如電梯啟動、加速上升時可以體驗到身體有加重的感覺，當然在程度上是遠遠無法與戰鬥機極限過載相提並論的。
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飛機盤旋時產生的2G過載情況
當正過載達到9G時，飛行員要承受自身（包括服裝、頭盔等物品）9倍的重量。這個過程中飛行員體內的血液會在重力下向腹部、腿腳移動，而一旦眼睛和大腦得不到充足的血液，那麼很快就會出現因為缺氧而引起視力喪失，繼而失去意識。
由於人體的眼睛和大腦分別有3秒、10~12秒左右的氧氣儲備，飛行員一般不會在3秒之內就出現視覺喪失的情況。2014年安陽航展上，大陸紅牛特技飛行隊隊長趙偉駕駛XA42表演機做9G飛行只持續3秒左右也正是這個原因，如果想進一步延長大過載時間，抗荷服、加壓氧氣面罩等都是必不可少的裝備。
特別值得一提的是，3秒規律並不代表絕對安全。一旦進入極限過載的過程太過於劇烈，飛行員身體和心理上都缺乏準備和主動適應的過程，同樣會在瞬間喪失視力甚至意識。幾年前中央電視台曾經公開報導過一次殲-11BS由於電傳飛控故障引起的飛行事故，飛機突然進行了劇烈的俯仰擺動，最大過載達到9.36G，猝不及防的飛行員瞬間就進入了灰視狀態。
灰視狀態代表著飛行員已經開始看不清東西，四周的視野已經開始逐步喪失。它不僅是飛行員抗過載耐力達到終點的標誌，也是飛行員即將完全失去視覺（黑視）和意識的前兆。如果俯仰失控的程度更劇烈、持續時間更長一些，那麼就很可能導致飛行員來不及與後方留下任何通訊就陷入昏迷，任由失控的飛機墜機或者空中解體，事故的真相也會難以查明。
而超過3秒以後還能不能維持住視覺和意識，這取決於一個人的心臟能不能在高重力條件下有效的把血液泵送進眼球和大腦。這種“基礎抗荷能力”與身體條件、尤其是先天遺傳因素有非常大的關係：比如它基本上與血壓（心水平收縮壓）成正比，與眼睛到心臟的距離成反比，因此基礎血壓偏低的人、個子太高的人，都注定無法成為合格的戰鬥機飛行員。當然，這也絕不意味著高血壓的人就適合開飛機
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通過旋轉形成過載的離心機，受試者耐力喪失以後，紅圈內面板上的燈具會以四周到中央的順序從視野中消失
在今天看來戰鬥機飛9G過載是一件很平常的事情，實際上這是人類花費了大量時間、金錢、人力、乃至於生命才換回的突破。從一般的統計規律看，戰鬥機飛行員如果沒有裝備的輔助，不使用特殊的動作技巧進行對抗；他們對於正過載的基礎抗荷能力不到9G的一半，平均水平在4.25G（持續10秒）左右——即便美國也不例外。
從基礎耐力的角度來說，4.25G同時也是三代機飛行員選拔的標準之一，5G已經是試飛員等精英飛行員的平均水平了，能夠達到5.25G以上的人只是少數。還有極個別人可以達到7G標準，這屬於爹媽從遺傳基因層面帶來的天賦壓制，他人可羨而不可求。
二．殲-10過載標準源於F-16
早期的螺旋槳飛機雖然飛行速度低，但是由於飛行高度也低——這意味著空氣密度很高，它們仍然可以獲得足夠的升力來完成較大的過載；不過8G左右的最大過載只能在瞬間出現，多數情況下都只能持續十幾秒的4-6G過載。這種過載強度基本延續到了第一代和第二代噴氣式戰鬥機上，不過它們的飛行速度、高度更大，過載的持續時間也更長。比如F-4戰鬥機的典型空戰動作過載曲線中，4-6g過載時間超過60秒以上，其中5G以上過載時間接近30秒。
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F-16的大後傾座椅
由於早期火控與武器系統的性能落後，飛行員要駕駛戰鬥機開火的操作步驟相當繁雜；不僅反應慢，而且機砲、導彈的命中率也很低。這都意味著一方在短時間內態勢佔優也往往難以進行有效攻擊，空戰中會出現大量中低空亞聲速下近距離內進行反复的追逐、纏鬥、咬尾的情況。而由於當時戰鬥機飛行性能以及抗過載技術的發展水平限制，這就代表戰鬥機必須進行大量4-6G過載強度的持續機動。
F-15就是針對這一點設計的，相較於F-4的5G過載持續時間不到30秒來說，F-15的5G過載持續時間達到100秒而且反復出現；雖然其最大可用過載7.33g ，但實際使用中瞬間飛行過載頻繁超過9G。F-15過於保守的過載指標明顯限制了飛行性能的發揮，這種矛盾折射了它設計思想的時代局限性——更直接的說，F-15過載設計仍然遵循的是二代機標準。
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F-15過載設計仍然遵循的是二代機標準，在高強度飛行後出現結構裂紋也就不足為奇了
按照航空加速度生理學對人體的定義，6G過載持續15秒時間以上就屬於持續性高過載——在這個區間，飛行員喪失意識的機率和速度都極大幅度的提高了。這也是二代機與三代機設計中的一個核心區別：新一代飛機的持續機動過載從4-6G為主，瞬間過載8G左右；提升到持續機動過載6-9G為主，瞬間過載超過10G的水平。
真正把戰鬥機機動能力帶入持續性高過載時代的型號正是F-16，自它以後，戰鬥機的過載能力必須達到6G過載持續45秒、9G過載持續15秒的水平才能在三代中算得上是一流。F-16性能突破的先決條件除了飛機自身的飛行性能大幅提高外，還要歸功於美國上世紀60年代抗過載研究成果開始從實驗室向實際型號研製轉移；在抗過載座艙、新型抗荷服、代償背心、抗荷加壓呼吸、新型抗荷動作等一系列技術措施投入使用以後，飛行員才能承受長時間的高過載飛行。
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F-16和F-4在1.2馬赫下的轉彎半徑比較，F-16具有明顯優勢，當然飛行員承受的過載也比F-4大
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高抬腿設計使F-16的儀表台尺寸在三代機中嚴重偏小
比如F-16在座艙的抗過載設計上就實現了巨大突破：它採用了後傾角度很大達到30度的座椅，它使飛行員形成背部斜躺而腿腳彎曲抬高的姿勢；由於戰鬥機高過載飛行都會有15度以上的抬頭角度（迎角），因此接近9G時飛行員後傾實際上達到45度。30度後傾座椅後來延續到了F-22上。
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F-16的大後傾座椅有助於提高飛行員的G耐受值，但由於缺乏頭部支撐，導致很多飛行員出現頸椎病
飛行員在半躺以後，過載增長速度的大小對人體的影響會變弱，人體有了更多的時間對高重力反應進行適應和代償——這是個很簡單的三角函數結果。其次是心臟到屁股和腳的高度差明顯縮短了，有效的減輕血液向腿腳墜積的趨勢，延長了飛行員維持視力和意識的時間；心臟和眼睛之間高度差的縮短在這個角度範圍內反倒影響並不大。
後來的三代機絕大多數都遵循了F-16的過載指標。即使是高過載機動的持續時間上有所縮短，或是未必採用相同的大後傾座椅、高抬腿設計；但9G最大可用過載已是公認標準，而座艙抗過載設計也是依照相同的基本原理展開。殲-10就是一種典型的9G最大過載戰鬥機，在過載指標上它如今已經達到了F-16的指標；但是其間的過程並不順利，在設計上也留有一些遺憾
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殲-10是一種典型的9G最大過載戰鬥機
三．殲-10抗過載能力組成揭秘
戰鬥機的抗過載研究成果頗為類似遊戲中的屬性點和裝備加成。三代機飛行員的基礎抗荷耐力算是遊戲角色的基本天賦屬性，一般以4.25G計算。抗荷服通過壓緊大腿和腹部，可以有效減緩高過載下心腦循環中的血液流失，高性能型號可以提供2.5G甚至更高的抗荷效果。這兩個效果要發揮對飛行員的體力消耗都不算很大，疲勞值較低，可以視作被動系的屬性和裝備效果
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殲-10的座艙抗過載設計優於蘇-27
飛行員在抵抗高過載時，需要針對性的做出收緊全身肌肉的抗荷動作，可以達到1~2G的抗荷效果。通過呼吸面罩強行把大流量的氧氣壓入肺部，使飛行員血液含氧量大幅升高，也可以提供1.5~1.7G甚至更高的抗荷效果。但是抗荷動作和加壓呼吸對飛行員的體力消耗很大，疲勞值相當高，是使用次數和時間都有限制的主動系技能和裝備。
殲-10完成9G過載飛行，依靠的正是上述幾種措施的綜合應用。而直到近年才達到F-16過載水平的關鍵原因之一，就是從基礎的座艙抗過載設計上殲-10就存在一定的差距；這使它必須在抗荷服等其它設備上獲得更好的性能才能彌補劣勢。
F-16的大後傾座椅對駕駛姿態和操作習慣改變非常大，飛行員難以正常使用設置在座艙中央的駕駛桿，而必須使用側置的駕駛桿。由於和傳統設計相差太大，大陸軍方對這種座艙佈局一直抱有偏見，直到21世紀初空軍航空醫學研究所還有針對30度後傾座椅會不會針對記憶、辨識反應速度等認知能力形成負面影響的定性研究。在上世紀80年代，30度大後傾座椅在殲-10論證過程中不可能被軍方接受也就容易理解了。
此外F-16的高抬腿設計也難以在殲-10上複製，它對駕駛艙儀表台尺寸的限制很大。F-16最初項目定位較低，只承擔簡單的晝間近距離格鬥任務，機載設備較為簡單；因此在取捨上偏重抗過載能力而犧牲了一部分儀表台安裝面積，F-22就沒有繼承F -16的高抬腿設計。初始定位就帶有完整中距空戰能力、搭載繁多機載設備的殲-10對儀表台的安裝面積要求要高的多——尤其是大陸當時的航空電子水平有限，實現同樣功能需要更大的設備體積和尺寸。
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殲-10的座艙設計還是很傳統
因為上述原因，雖然殲-10項目從預研起就把座艙抗過載設計作為重點之一，盡可能優化了飛行員的駕駛姿態，但終歸未能突破傳統座艙佈局的限制；這使它的最終效果雖然明顯優於蘇-27，但和F-16相比還是有所不如。同時殲-10定型時配備的KH5抗荷服和KT8抗荷調壓器（調節氧氣面具和抗荷服的壓力和流量變化）性能並不出彩，防護能力較低，使殲-10定型時只能達到6G持續30秒、9G持續10秒的水平。
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特級飛行員嚴峰下飛機後脫掉抗荷服，不通風的抗荷服非常悶熱
KH5抗荷服採用的仍然是側管結構，這齣於長期使用仿製蘇聯早期產品形成的技術路徑依賴。側管式防護服是美國在上世紀40年代開發的，它在服裝的軀幹與肢體四周設置了充氣軟管，軟管外面纏繞張緊帶。一旦管子開始充氣，張緊帶就會收緊防護服布料，均勻勒壓人體表面，提供外來壓力。
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KH5抗荷代償兩用褲
西方三代機乃至於蘇聯後來開發的蘇-27上，普遍使用的都是氣囊式抗荷服，它通過氣囊充氣後的膨脹來直接擠壓人體，施加體表壓力。這種抗荷服有個極大的壞處，就是氣囊本身不透氣又要大面積覆蓋人體，散熱能力非常差；因此直到後來飛機的環控設備大幅度進步，可以為對防護服裝內進行大流量的強制通風以後，它才得以廣泛應用。而現代高性能戰鬥機之所以百分百配備氣囊式抗荷服，則是因為它在減輕飛行員高過載下的加壓呼吸疲勞方面具備壓倒性的優勢。
而現代高性能戰鬥機之所以百分百配備氣囊式抗荷服，則是因為它在減輕飛行員疲勞程度方面具備壓倒性的優勢。飛行員加壓呼吸的氧氣往往要先進入防護服的充氣管或者是氣囊內，為防護服裝提供壓力。在氣囊式防護服裝中，飛行員吸氣使胸腔擴張時，胸腹外部氣囊的壓力自然降低；而呼氣使胸腔收縮時，胸腹外部氣囊的壓力自然增高。
這種胸腹外部壓力變化的協調性，極大的減輕了飛行員進行加壓呼吸時的胸腹肌肉疲勞程度。飛行員穿側管式防護服時進行加壓呼吸維持幾分鐘、十幾分鐘就會嚴重疲勞；而氣囊式防護服不僅可以使飛行員耐受一個小時以上的加壓呼吸，而且可以採用更高的呼吸壓力、更大的氧氣流量。
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氣囊式結構的KH7抗荷褲
事實上殲-10近年抗過載能力突破的關鍵之一，正是一套全新的綜合囊式抗荷系統；它最晚在2002~2004年期間，就由空軍航空醫學研究所等相關機構在實驗室離心機試驗中達成了主要性能指標的突破。新型綜合抗荷系統通過KH7氣囊式抗荷服與KT9抗荷調壓器（增大了加壓呼吸時的壓力與氧氣流量）組合提供了額外的4G防護能力，其中僅KH7抗荷服的防護能力就提升了0.5G。
現階段殲-10的抗過載能力組成如下：在抗過載座艙的基礎上，三代機飛行員不低於4.25G的基礎抗荷能力+ 囊式綜合抗荷系統不低於4G的防護能力+ 不低於2G的抗荷動作效果，實現了6.5G過載持續45秒、9G過載持續15秒的三代主流水平。
四．自主研發新型抗荷動作，反應我軍訓練水平奮起直追
在基本的飛行天賦屬性上，黃種人和白種人並沒有種族上的先天差別，不存在白人就是比黃種人強的情況。僅僅從劇烈運動下的空間平衡感、方向感和肢體協調能力來說，大陸運動員在各類體操運動中從來就沒少拿過世界冠軍。但天賦之外的技能與裝備加成，卻也正是大陸飛行員與西方水平差距最大的地方，尤其是這兩者之間本身就存在著互相限制和互相促進的關係。
大陸戰鬥機抗過載發展歷史中，部隊訓練水平落後導致高過載飛行經驗不足，訓練部門對缺乏對人體生理需求的把握導致理論認識水平低下和觀念守舊，在很長時間內都是一種常態。這不僅是阻礙個人防護裝備發展的最大瓶頸，也是阻礙科學訓練手段形成、普及、進化，提昇實際戰鬥力水平的最大阻力所在。
2004年曾有空軍部隊對戰鬥機飛行員（包括三代機飛行員）進行抗過載知識和技能的摸底調查，結果沒有人能說全各種抗荷動作的種類、名稱、動作要領；只有28%的人接受過規範的抗荷動作訓練，而且全部是改裝新型戰鬥機體檢時在空軍航空醫學研究所內進行的。97.4%的人對抗荷能力的理解只停留在幾個G上，不知道還抗荷能力還包括抵抗G增長速率的大小與過載保持時間的長短。
這些飛行員在航校接觸特技飛行時，沒有一個教員傳授過抗荷動作的原理和規範的抗荷動作，都是彎腰、鼓肚子、憋氣。這種動作應對短時間的中低過載還可以，一旦碰上6G以上的高過載，尤其是持續過載，就會演變成飛行中最忌諱的瓦氏動作（Valsalva），會在更短的時間內因為缺氧而引起黑視、意識喪失。
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大陸空軍新型抗荷動作訓練器
伴隨著大陸空軍在訓練水準上的提升；新型的科學訓練內容、器材正在不斷的填充向各支部隊和訓練院校。而近年開始普及的HP、PHP抗荷動作及其配套的抗荷動作訓練器，正是空軍戰鬥力建設正規化、現代化過程中的重要一環。
HP、PHP抗荷動作作為大陸自主研究出來的新時期技術成果，最高可以達到2G以上的抗荷效果和西方現在通用的L-1、M-1等抗荷動作相比並不遜色。除了性能指標令人滿意外，它還有著特別適合於大陸國情的優勢：技術難度低、體力消耗少；與日常體能鍛煉結合緊密，有效矯正大陸空軍傳統飛行員體能訓練的錯誤傾向。
現代飛行員做抗荷動作的核心意圖有兩個，除了收緊肌肉壓迫血管，阻止血液流向腹部和腿腳的傳統功效外；還必須有力的控制自己的呼吸頻率、深淺，以配合加壓呼吸面具把氧氣壓入肺部的動作。飛行員在大過載下的呼吸技巧極其重要，不僅換氣太慢、呼吸太淺、憋氣太久會導致氧氣攝入不足，引起黑視和暈厥，呼吸過度一樣會導致黑視暈厥。
L-1等西方抗荷動作在大陸的使用過程中，被證明抗荷效果確實很好；但是諸如在1秒鐘以內完成標準的吸氣、換氣動作和全身肌肉協調收緊的要求，其技巧性和力量性要求都顯得過於苛刻；不僅很多飛行員難於掌握，而且實際使用中體力消耗太快，反而不利於耐力的持久性。而HP、PHP抗荷動作的特點是依靠用力慢呼氣來控制呼吸速度，根據不同過載強度適當用力收縮肌肉；這既使飛行員獲得更多的反應時間，又能更靈活的分配體力消耗，目前HP、PHP動作已廣泛應用於地面訓練
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正在學習L-1抗荷動作的美軍飛行員
尤其在HP、PHP動作在訓練過程中，腿腹部的核心肌肉群發力過程與槓鈴負重深蹲等無氧器械鍛煉高度一致，這將促使飛行員進行更多的力量鍛煉。以前飛行員的體能訓練常常繼承陸軍風格，以長跑這類器材場地要求低、教練監護人員水平和數量要求低的耐力訓練為主，認為能跑的久跑得遠就是身體素質出色。
實際上過度的耐力訓練會使人體心臟的自律細胞和傳導組織被迷走神經活動所抑制，嚴重破壞人體在高過載條件下的血壓代償性調節能力，導致飛行員更容易黑視和暈厥。1998年的一份醫學案例就屬於這種情況，某位有著1000飛行小時資歷的戰鬥機副大隊長在改裝新飛機時空中暈厥；離心機檢查結果是他在3.25G過載下都只能在安全3秒內不黑視。在新訓練體系越來越科學化的今天，這種反面事例必將不會重現。
結語：
事實上越是先進的裝備，對人的素質要求也就越高；對於戰鬥機這樣只有在人體生理極限條件下才能完整髮揮作戰效能的武器，尤其如此。殲-10極限過載能力的突破，反應的正是裝備性能與人員素質的同步提升。