飛行員安全的最後防線—彈射逃生

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戰鬥機的性能日新月異，除了戰鬥機性能日益提升外，也對飛行員彈射逃生的安全構成威脅，
隨著戰鬥機包線的擴展，彈射座椅的包線也應隨之擴大以確保飛行員的安全，將火箭推進、
推力向量控制、陀螺儀與大氣感測器等新技術納入彈射座椅設計中，利用電腦控制包括座艙蓋拋離、
彈射火箭點火與開傘時機等相關彈射程式的進行，這樣子才能確保飛行員能夠安全的從失控下的戰鬥機中逃生。



2010年加拿大CF-18在航展表演中墜毀，飛行員在不利狀態下彈射，安全逃生

前言

彈射系統是飛行安全的最後一道防線，如何使飛行員從一架已陷入危險狀態的飛機安全逃生是一種專門的技術，
現代戰鬥機的攻擊力與破壞力都相當驚人，從軍備角度分析戰鬥機一般著重於性能或動力參數。

雖然隨著科技的進步，特別是包線日益擴展，戰鬥機能夠做出種種匪夷所思的機動，但進一步對彈射逃生造成挑戰，
這不僅牽涉到精密機械設計，還要考慮如何使飛行員安全脫離已失控飛機而不致遭受傷害。
飛行員啟動彈射系統時飛機姿勢多已無法保持穩定，理想情況是在平穩姿態下以合適的速度和高度彈射，
但在多數情況下飛機已經脫離控制，其姿勢、速度與高度都不利於彈射跳傘程式的進行，甚至飛行員已經受傷。

因此如何在飛行員下達彈射決心後能夠簡單、迅速、安全地逃生成為彈射系統設計的主要理念。
降落傘從一開始就是協助飛行員脫離失控飛機的逃生工具，早期飛機航速慢，可以人力推開座艙蓋（或根本沒有座艙蓋）
再跳離飛機。但隨著飛機性能的提升，空速、高度持續增加，這種方法已不能確保飛行員的安全，據統計當跳傘時的空速
大於360公里/時，飛行員的存活率僅約2%。



F-111就是整體逃生艙設計


顯然單純倚靠人力逃生已不足以確保安全，所以利用機械彈射逃生的概念應運而生，彈射方式主要分為兩種：一是人員
坐在彈射座椅上脫離飛機，然後開啟降落傘；二是駕駛艙整體與飛機脫離，以座艙為逃生艙對人員提供保護。
前者對飛機結構影響較小，成為戰鬥機逃生系統的主流；後著因管路配置、結構設計等因素對戰鬥機結構影響較大，
迄今為止只有很少飛機採用，因此本文將重點討論彈射座椅。



安裝彈射座椅的第一架量產型飛機是He 219型雙座夜間戰鬥機

彈射系統的發展
早期彈射座椅的動力來源可分為兩類，一是儲氣瓶的壓縮空氣、二是火藥推進。將高壓空氣注入彈射座椅的汽缸與活塞，
使彈射座椅受作用力脫離飛機的做法在技術上較為簡易，但隨著空速的增加就需更大、更重的儲氣瓶、活塞與汽缸才能
以產生足夠動力把座椅彈離飛機，這會影響飛機的性能，而且壓縮空氣彈射方式對維修和整備時間都不利。另一被稱為彈射槍
（catapult gun）的設計能以較小體積和重量提供足夠的彈射力量，彈射槍的結構類似于單筒望遠鏡（telescope），平時內筒
縮入外筒並以機械裝置鎖定，當彈射指令下達時，固定裝置解鎖，兩筒間的起爆裝藥即被引燃，產生高壓氣體將內筒伸出，內外筒的
功能如同活塞與汽缸，並兼具導軌作用，使彈射座椅沿導軌方向離開戰鬥機。使用彈射槍的彈射座椅飛離戰鬥機的速度能達到15公尺/秒。



單彈射槍配置的彈射座椅

因空氣阻力與速度平方成正比，隨著戰鬥機空速日益增加，飛行員彈射後可能會被強大的氣流吹向垂直尾翼。此外在地面或起降過程中彈射
因速度與高度不足以提供足夠的開傘時間，也需要增加彈射彈道高度，在不超過人體負荷極限的限制下，佔用空間小、反應時間快、推重比大
的火箭推進系統即被引入彈射座椅設計中。飛行員的生理負荷極限會限制戰鬥機特性的發揮，更會限制彈射速度。倚靠火箭把人員從座艙中彈射
出去並非難事，但彈射中所產生的加速度會對人體特別是脊椎造成傷害。脊椎是由塊狀脊椎骨迭成，中間有髓核（spinal cord）通過，脊椎骨
之間則以盤狀軟骨（disc）相連接。彈射時會產生向上的作用力，脊椎承受的加速度由盤狀軟骨外緣、具彈性的椎間盤纖維環（annulus fibrosus）
吸收。為了在最短時間內獲得最大速度來實現較高的彈射彈道，通常彈射產生的加速度約為12~20G間，如果最大加速度超過25G或每秒加速度
增加幅度超過300G就會對脊椎造成傷害，尤其是胸廓和腰椎部分。如彈射過程中飛行員前傾，脊椎受到擠壓則易導致壓迫性骨折，臨床上可通過
X光片發現脊椎骨由正常的長方形塊狀外形變為楔形甚至形成粉碎性骨折，導致人員需進行手術與長時間複健方能康復。因此，飛行員姿態的保持
是避免受到彈射傷害的關鍵，更完整的設計則是在啟動彈射手柄後，傳送信號至彈射座椅背的慣性絞盤（inertial reel），在彈射槍作用前先將肩帶
（部分設計尚包括腿帶、腰帶）後縮，使人員確實固定于椅背上，避免彈射過程時因人員姿勢不良、脊椎受力不當而受傷。



脊椎結構，紫色的就是椎間盤纖維環



雙彈射槍和雙火箭助推器配置的彈射座椅



單彈射槍和減速火箭配置的彈射座椅



帶腿部束縛機構的馬丁貝克H7彈射座椅

上述脊椎的特性，使得利用火箭為彈射動力並不能一味增加推力。目前多數彈射座椅都保留了彈射槍，將彈射動力分為兩個階段，先利用彈射槍將
彈射座椅與駕駛艙底板分離，再將彈射座椅推升至導軌末端（約需0.2~0.35秒，加速度不超過15G），等座椅到達導軌末端後，再啟動火箭進一步
加速彈射座椅。兩段式彈射動力可以較小加速度增加值獲得較高的彈射彈道，即使在高下沉率的飛行狀態下彈射，也能確保獲得足夠的開傘高度。
一般來說，零高度零速度彈射（即所謂零-零彈射）座椅能在地面靜止狀態下彈射至107公尺高度。



SU-35Ub戰鬥機進行零零彈射

火箭推進系統所能產生的加速度受到溫度、座椅總重量、空速、高度與彈射姿態等因素的影響，現有技術使飛行員零-零彈射獲得足夠的開傘高度已
非難事。理論上體重較重的人在一定彈射推力下承受的加速度較小，對身體的傷害應較輕微，然而實際經驗卻發現，一般體重較重的人身體外型也
比較大，即使受彈射座椅束帶限制，其突出於彈射座椅外的肢體面積（特別是腳部）也較大，在高速的下這些突出的四肢就如同氣動力作用面一般，
可能在人椅分離時造成不可預期的翻滾而造成傷亡。所以彈射座椅在設計階段就應確保能符合90%體形以安全使用。

http://www.youtube.com/watch?v=1T1SoZ-18e0


彈射程式的進行

目前彈射座椅在發展中已漸漸融入許多複雜的子系統，如人椅分離、可變開傘行程與氣動穩定裝置等，以擴展彈射包線、增加逃生成功率。
一般來說彈射座椅所具備的主要元件如圖所示，要瞭解彈射系統的設計特性，需要分析彈射程式的相關步驟，才能瞭解其演進過程和設計理念。
一、彈射指令下達
由於彈射時機的選擇並非僅單純考慮戰鬥機狀況，還需考慮地點、敵情等因素，因此除部分實驗機和垂直起降戰鬥機安裝了自動彈射系統外，
其餘都由飛行員自行決定彈射時機。彈射指令的下達是由啟動彈射手柄開始，彈射手柄多裝於腿部附近，曾有部分彈射座椅把彈射手柄設計於頭靠
（headrest）上方，彈射時，人員為將手柄拉下必須挺直背部、縮回手臂，可確保保持正確坐姿，避免受傷。有些甚至將手柄與面罩（face curtain）
連動，啟動彈射手柄時順勢拉下面罩，避免破碎的座艙蓋碎片及高速氣流傷害臉部，但在超過6至8G以上超載彈射時，飛行員無法將手臂抬到頭部上方
啟動彈射手柄，所以現在的彈射座椅一般都把手柄置於兩腿中央（側杆（side-stick）設計的戰鬥機則把手柄置於右腿外側），以縮短下達彈射命令時間。



結合了防護面罩的彈射手柄



拉下面罩也就是啟動了彈射程式



大多數彈射座椅彈射手柄的安裝位置

對於多座椅機型而言，控制彈射（command eject）可確保飛行員無法下達彈射指令時，由同機的其它乘員代為啟動。以F-4戰鬥機彈射指令為例，
可分為三種模式：
一、雙座彈射，由前座啟動。
二、雙座彈射，由後座啟動。
三、後座單獨彈射。
二、座艙蓋脫離
座椅彈射時在彈射彈道（trajectory）上最先遇到的障礙物是座艙蓋，所以在彈射前就要拋掉座艙蓋。早期飛行員可以人力推開座艙蓋，利用氣流把座艙蓋
吹離，但隨著空速的增加，座艙蓋因承受外部氣動力作用而無法手動拋離。另一種以氣瓶儲存的壓縮空氣作為拋掉座艙蓋的動力，部分實驗機曾使用過這種設計，
但在高速機上座艙蓋要承受更大的氣動力，為了成功拋掉座艙蓋就必須採用更大更重的儲氣瓶，必然影響飛機性能，所以引入了用火藥燃氣拋離座艙蓋的設計。
F-22為使拋蓋時間更短，在座艙蓋前緣安裝了小型火箭，利用火箭拋離座艙蓋，大幅縮短拋蓋時間，並且還能利用火箭控制座艙蓋拋離的軌跡與方向，
避免與飛行員發生意外碰撞。



F-16先拋蓋後彈射



F-22為使拋蓋時間更短，在座艙蓋前緣安裝了小型火箭

某些時候拋蓋僅為緊急處置座艙冒煙這類突發事件，並不是為了棄機逃生，所以除應在最短時間內拋蓋外，還要儘量避免座艙蓋脫離後碰撞機身，導致重大事故。

對於多座和垂直起降飛機而言，拋蓋就更為困難了，前者如果拋蓋軌跡不良將會對其他彈射的機組人員造成傷害，後者因彈射時機多發生在低空、高下沉率條件下，
沒有足夠時間拋蓋。此時可以單獨或綜合應用下列兩種解決方案：一是利用安裝在彈射座椅頭靠上方的沖角擊破座艙蓋直接彈射，但現代戰鬥機在設計時都要求
座艙蓋能抗鳥擊，所以座艙蓋較為厚實，不易穿透，單純使用該方案可能造成人員受傷。二是在座艙蓋玻璃內側粘上微型爆導索，爆導索外鋪設彈性膠條以減少
向座艙散射的爆炸微粒、控制爆炸方向並降低噪音。彈射時微型爆導索先引爆，將有機玻璃炸成碎片後飛行員再彈射，此時飛行員穿過碎片區時可能會被割傷，
不過氣流會吹離碎片，再加上頭盔、面罩等護具的保護，這種風險被降至最低。



F-35採用了穿蓋彈射方式，可以看到貼在內側的爆導索



爆破後就整齊把玻璃切成兩大塊，最大限度降低了碎片的數量



三、彈射座椅的動作

戰鬥機的座艙空間都有限，在飛行員彈射脫離座艙時如未保持正確姿態，肢體就可能撞上座艙內結構物而受傷，所以除要求飛行員在彈射前保持正確坐姿外，
現在的彈射座椅在啟動前也會用慣性絞盤把人員固定在正確位置。座椅離開彈射導軌前還需要完成飛行員與座艙脫離連接（如通訊線、氧氣管等）、彈射座椅上
緊急氧氣系統開始供氧、降落傘釋放動作器處於待發位置等相關程式。
多座飛機彈射時，由於都集中在很短時間內彈射，所以飛行員可能會撞上空中亂飛的物體或其它彈射座椅。為避免這種情況的發生，多座飛機會設置彈射間隔時間
並採用不同的彈射彈道。利用彈射火箭噴管的折流片產生側向推力，可以產生偏離垂直平面3~4公尺的彈射彈道，即使是並列雙座佈局（side-mounted）的飛機也
避免飛行員在空中發生碰撞，再配合彈射火箭啟動時間間隔，可更進一步避免意外的發生。



4座S-3反潛機的彈射試驗，先彈後座，再彈前座2，而且彈射彈道分別偏向一側

為獲得良好的彈射彈道，彈射時人椅的重心位置應與推力軸線保持住一定範圍之內，如重心過於靠前，易造成彈射軌跡前傾，影響開傘動作。如重心過於偏後，
易造成彈射座椅翻滾，影響人椅分離。

理想的彈射時機在水準飛行姿態，但由於戰鬥機機動性能的日益提升，彈射不可能都在理想狀態下進行，在戰鬥機處於滾轉姿態，甚至倒飛姿態彈射時，有效開傘
高度和開傘姿態都將受到影響，特別是在低空彈射將造成無法挽回的遺憾。使用穩定導傘（stabilizer drogue）與陀螺控制（gyro-controlled）彈射火箭推力向量
噴管可防止彈射座椅傾斜，並能修正座椅姿態。在低速彈射時因氣動力較小，適宜採用推力向量控制姿態，在高速時則可利用氣動力控制，以穩定導傘進行對姿態調整，
彈射座椅的微處理器執行相關控制程式。俄制系統傾向在彈射從機載陀螺儀獲得姿態資訊，彈射座椅本身不另增陀螺儀，西方則大多在彈射座椅上安裝陀螺儀進行姿態
監控，設計理念不同但逃生成功率大體差不多。目前的技術水準已能做到距地面60公尺時，即使座艙朝向地面仍可確保彈射座椅離開戰鬥機後，憑藉推力向量把彈射座椅
由下墜姿態轉向上升姿態並獲得足夠的開傘高度，確保人員安全逃生。



70年代，美國海軍測試的VSS彈射座椅，在倒置彈射後能迅速扭轉姿態爬升

低空高速彈射是最困難的，較大的空氣密度使氣流效應更為強烈，飛行員在彈射時即被吹向機尾方向，因此除了要以最快的彈射速度避開垂尾外，
還要縮短主傘的開傘延遲時間，也應延長火箭助推器的燃燒時間以爭取足夠的高度讓彈射座椅減速並啟動子系統。

http://www.youtube.com/watch?v=1gkZar0U-cI

在空速從超過400節（740公里/時）的高速減速至開傘速度時，飛行員需要適當的遮罩與束縛以避免因空氣的強大動壓造成傷害。多數彈射座椅都有速度限制
以避免高速氣流傷害飛行員，如果戰鬥機沒有立即爆炸的危險，飛行員應盡可能在座艙內等待，等空速下降至安全範圍內再彈射。但如果存在非常迫切的危險，
即使在超音速飛行也要彈射，多數彈射座椅能超音速彈射，但不能確保飛行員的安全。目前僅有俄制K-36系統曾成功進行過超音速彈射，並且飛行員沒有受嚴重傷害。
其成功的主要原是彈射座椅上的氣流偏折裝置（wind blast deflector），當彈射座椅的微處理器探測到超音速狀態時，會自動把兩腿間的伸縮式氣流偏折裝置升起至
胸部高度，使超音速氣流產生的激波在該裝置前分離，避免激波傷害飛行員，也避免高速氣流直接衝擊飛行員。配合特殊的KKO-5飛行服，即使彈射時沒有放下面罩，
頭盔上方的壓力感應孔在探測到高速氣流時也會自動放下面罩保護人員面部，並由彈射座椅上的緊急氧氣瓶供氧，使飛行員在高速狀態下能正常呼吸。由於種種特殊設計
，K-36系列彈射座椅擁有目前最大的彈射包線。



著名的K-36彈射座椅，飛行員腿部中間就是氣流偏折裝置，座椅頭靠後方是兩個伸出的導傘

四、開傘程式

開傘時的衝擊力量可能會因導傘作用不良或主傘過早開啟變得相當猛烈，開傘時的空速越大衝擊力也就越猛烈，對飛行員和主傘結構都易造成傷害。
高空彈射較為罕見，但伴隨的危險性也更大，主要傷害來自於缺氧和低溫，如緊急供氧系統失效或面罩在彈射過程中脫落。
飛行服一般已經足以提供飛行員在彈射時的保暖需求，但如果在彈射時手套掉落造成手指凍傷，會對飛行員落地後的求生造成不利影響。



典型的彈射過程

最早出現的彈射座椅僅僅是飛行員離開飛機的工具，後續的人椅分離及開傘都需要手動操作，如果飛行員在彈射過程中不幸失能或受傷而無法操作上述程式，
就會讓整個彈射程式徒勞無功。這方面的最早改進是自動化開傘與人椅分離裝置，其中的定時釋放裝置（timed release mechanism,TRM）使彈射程式自動化
變得可行，該裝置利用機械計時器或延遲燃燒藥柱達到延時釋放主傘、人員與救生包的目的，使開傘程式得以在周圍已無障礙的安全環境下進行。但相同的
開傘程式，卻因操作環境的不同反而會對飛行員造成傷害，低空彈射時，為增加逃生時間要求縮短延遲開傘時間，但同樣的延遲時間在高空卻可能在座艙蓋還未
完全拋離時就開傘，並使飛行員暴露在高空、低溫、低壓及缺氧的環境中過久導致受傷，此外高速開傘時產生的衝擊也會對飛行員造成傷害。雖然可通過增加延遲
時間選擇鈕，視彈射情況設定時間，但多一道程式就多一分人為失誤的可能性，彈射過程分秒必爭，稍許的遲疑與失誤都可能造成無法挽回的遺憾。

彈射座椅引入了自動化彈射程式後，能通過座椅上的高度計（壓力計）與空速管等感測器，把速度和高度作為開傘時機參數自動計算出開傘的最佳時機。
高空缺乏足夠的氧氣，過早開傘會致飛行員在高空滯留時間過長，導致組織缺氧而昏迷，當高度計探測到彈射高度低於限制高度（多設定3000公尺~4300公尺左右），
則開傘時機不受時間延遲影響可直接開傘，如彈射高度超過限制高度，則時間延遲裝置將持續作用直到低於限制高度，而且人椅分離裝置在限制高度以上也被鎖死，
並持續為飛行員供氧。

http://www.youtube.com/watch?v=ed0NY6Rt69U

最早的自動開傘裝置是背負式自動開傘（back-automatic,BA），在人椅分離後才能開傘，開傘時間約需2-3秒，速度越低所需開傘時間也就越長，
相對于把傘包置於頭靠（headrest）的開傘發射槍式（ballistically deployed）僅需的0.8-1.5秒開傘時間明顯過長。此外，背負式在開傘初期也
較易發生飛行員與傘繩糾纏導致開傘失敗，所以基於彈射反應時間與成功率的考慮，背負式漸為被開傘發射槍取代。開傘發射槍是把導傘安裝在導傘
發射槍內（drogue gun），開傘時先把發射槍內約450公克的金屬塊射入空中，產生的拉力足以把導傘拉出，讓彈射座椅穩定下來並減速。等定時釋放
裝置解鎖後，導傘就把傘包內的主傘拉出，完成開傘程式。也有的彈射座椅採用雙導傘（duplex drogue parachute）設計，用穩定導傘
（stabilizer drogue parachute）和控制導傘（controller drogue parachute）進行彈射座椅的穩定和減速，使導傘的作用更為完善。與以前利用
空氣阻力拉出主傘的方式相比，導傘能縮短開傘時間、降低開傘需要高度、減小彈射火箭加速度，降低對飛行員的傷害，在低空低速時是效果更好。

新一代彈射座椅則趨嚮導傘與主傘獨立作用，視彈射情況可直接開主傘，進一步縮短開傘時間。
早期彈射座椅大多僅依靠定時釋放裝置和高度、空速感測器來決定開傘時機，隨著電子技術的進步，在彈射座椅的設計中已經裝置微處理器（microprocessor），
彈射時能用向量推力控制彈道姿態，並把開傘衝擊、大氣環境對飛行員的影響維持在安全限度內。以美國的ACESⅡ（Advanced Concept Ejection Seat）
彈射座椅為例，其主要彈射模式可分為三種：




美軍多種現役戰鬥機配備了ACESⅡ彈射座椅

模式一、（低空低速，高度小於4500米，空速低於460公里/時）彈射座椅離開導軌時主傘就打開，導傘在彈射過程中不啟動以免與主傘糾纏。


模式二、（中等速度，高度小於4500公尺，空速介於460~1200公里/時之間）彈射座椅離開導軌時就打開導傘，延遲0.8至1.0秒後打開主傘，導傘立即脫離
以避免與主傘糾纏。

模式三、（高空高速，高度大於4500公尺，或空速大於1200公里/時，符合其中一項條件即可）彈射座椅離開導軌時就打開導傘，直到速度與壓力感測器判定彈射
座椅已進入模式二時，經0.8至1.0秒後打開主傘，導傘立即脫離以避免與主傘糾纏。



五、人椅分離

彈射彈道的最高點就是人椅分離的時機，最簡單的脫離方式是重力脫離，分離時依序釋放肩帶和腿帶，人椅自然分離。但有時因人椅相對姿態問題無法順利脫離，
所以又出現了氮氣瓶和椅背椅墊氣囊，除釋放腿帶和肩帶外，氮氣瓶內的高壓氮氣會注入彈射座椅背部與臀部的氣囊，產生把飛行員推離座椅的力量，不過脫離後
的飛行員可能因此作用力而陷入無法預期的翻滾而受傷，這個推力也可能對飛行員臀部與背部的身體組織造成不同程度的傷害。

所以又出現了安裝在彈射座椅頂部的向下推進的火箭，在人椅分離時把座椅向下推，增加彈射成功機率，還有利用導傘在人椅分離時降低座椅的速度的。



人椅分離

人椅分離時應將彈射座椅上的救生包（survival kits）一併帶出，並以帶子和人員相連，避免落地時散落。救生包重7~22公斤不等，視戰鬥機作戰條件與可能
彈射的地點而定，基本應具備野外求生、自衛、通訊與導航的工具，維持人員生命直至救援人員到達。



U-2飛行員救生包內的物品

六、著陸
這是彈射過程中最重要的階段，將近90%的彈射傷害發生在這一階段，因此需要加強飛行員的基本跳傘訓練，避免落地受傷。考慮到地球表面70%的面積被水覆蓋，
飛行員落海應儘快與降落傘脫離，避免因降落傘充水而把人員拉入海中，或人員被傘繩纏住。為了避免飛行員落海後失能或手部受傷，海水致動釋放裝置（seawater activated release system,SWAWARS）
為日益普遍的裝備，落海時電子元件與海水接觸形成通路，裝置立即引爆傘具上的螺栓，使人傘快速分離。



海水致動釋放裝置

總結

人員是部隊戰鬥力的基石，優秀飛行員的培養更需耗費國家龐大的資源，要如何使飛行員從失控戰鬥機中安全逃生，不僅關乎人員士氣的維持，
也會為國家節約龐大的資源。


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註冊難

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