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假如人乘坐超音速飞机时突然弹射出去,会不会在音障上面撞成碎片?

2019-11-17知识

想知道高速乃至超音速气流冲击人体会怎样?电影【飞鹰行动】里成龙就给吹成这样了:

成龙大哥这还是低速风洞,高速风洞试验经常能吹出这样的结果:

脖子直接扭折

让我们听听一位中低空超音速弹射幸存者的故事:1995年4月19日,美国空军飞行员Brian Udell在约7000米的高度失去了对座机F-15的控制,进入了高速垂直下坠,速度约合1300千米每小时,即1.2马赫左右。当高度跌至3000米左右时他弹射了。

肉身破音障俱乐部会员现身说法 https://www.zhihu.com/video/1179697707148636160 在我们弹射时1300千米时的速度下,气流不再是风而像是一辆货车。它瞬间把我的面罩剥掉,爆掉了我头面部的所有血管。我的脸被吹涨到篮球那么大,嘴咧得有根黄瓜那么宽。面罩的锁扣嵌进我脸上,从两边撕下来两大块皮来。我的右臂吹脱进气流中,肘关节脱了臼,手臂朝后拐过去,肌肉也从胸上撕裂下来。座椅两侧本来有挡杆限制两腿分开,然而在这种速度下,档杆被吹分开,我的腿越过挡杆在气流中开始被吹着甩起来。拽着我的右腿没让膝盖以下被吹飞的,只剩下我腿上的血管、神经和皮肤了。

惊悚不,一个精壮的汉子进了超音速气流,体验到了胳膊肘朝外拐,整个人好像提线木偶一样被气流玩弄于掌股之上,事后休养了十个月才重新上天飞。他这还是走运的,后座飞行员在气流中就当场毙命了。

因此,弹射座椅都要设法牢靠固定飞行员的肢体,有的还设法遮挡吹向飞行员的高速气流,例如40年代的早期弹射座椅就是用下拉一个面罩来触发,能抗800千米时的气流:

然而这种设计后来淘汰了,因为高过载时,胳膊的重量可能增加数倍,想抬手过顶可不容易,现在触发弹射全靠拉两腿之间的拉环了。

还有一种设计是向后倒再弹射,靠屁股底下的整流罩乘风破浪:

B-58超音速轰炸机的座椅是带折叠舱盖的:

现役的俄国K-36D则会升起一块挡流板:

高速飞行弹射的危险性是多方面的,不仅取决于瞬时的速度,还有以下几方面:

1. 高度:众所周知海拔越高空气越稀薄,突破音障时的阻力越小,激波对人体的动压就越弱。

来看看当代最先进的两种弹射座椅,俄国K-36D和美国ACES II的弹射包线,也就是适用弹射的范围:如果弹射高度和速度对应的坐标点在曲线范围内,说明生存机会很大,反之则近似自杀——

可以看到,两种座椅在高空允许弹射的速度更快,K-36D甚至号称15000米以上允许3马赫弹射,但在5千米时只允许1.5马赫内弹射了,原因就是中低空空气稠密,同样速度下人体承受的动压高得多。

1966年1月25日,SR-71黑鸟侦察机在试飞中单侧发动机失效,飞机在另一侧发动机的强大推力下进入高过载后解体,试飞员Bill Weaver在超过2马赫速度下弹射生还,原因就是事发高度超过2万米,空气稀薄。

大难不死的比尔大爷,弹射后两周又飞黑鸟去了

另一则例证,是Felix Baumgartner在2012年10月14日创下跳伞高度世界纪录时,自38969米起跳,自由落体49秒后达到1357千米每小时的最大速度(此时高度约在2万米以上),约合1.2马赫,用头盔破了音障并安然无恙,到达预定高度时开伞安全落地。

费叔肉身破音障想像图

高空弹射虽会降低高速气流冲击带来的风险,却会带来低温、低压和缺氧三种新的危险。

先看低温。在1万~3万米之间,气温低于零下40°C,无防护暴露数分钟即可冻伤:

再看低压:在超过1.8~1.9万米的高空(阿姆斯特朗极限),气压低于47毫米汞柱时,水的沸点接近人的体温,此时暴露在大气中,肺泡内的表面活性物质会瞬间蒸发,人体无法从外界获取氧气,数分钟内必死。

最后看缺氧:超过4500米海拔时多数人即有缺氧反应;没有氧气供应,超过7000米的弹射多数会造成昏迷。

因为低温、低压、缺氧这三种危险,弹射座椅必须配合加压服才能在高空弹射。当今主流弹射座椅都有高度传感器,在高空时不开伞,用自由落体减少在高空滞留的时间。

2. 过载:现代弹射座椅由火箭发动机驱动,瞬时加速度可达20G,坐姿不当可导致脊椎压缩性骨折;另外受高速气流冲击时,座椅可发生剧烈翻滚,超过人体承受限度时也可能造成伤害。

K-36D座椅后方的两根长杆和小减速伞即为抗翻滚而设,好比箭羽

3. 碎片划伤:有不少较早的机型采用抛盖弹射,先把座舱盖抛出去再弹人,比如F-16

但抛盖会浪费0.5秒左右时间,这在低空、即将进入不利姿态时可能会要了命。后来有很多战斗机采用穿盖弹射,靠座椅上的撞角撞破座舱盖,或干脆用导爆索炸碎舱盖:

头顶曲折的线材就是导爆索
穿盖很暴力,碎片偶可伤人

此外,现代先进弹射座椅还有多种传感器,能感知弹射姿态并进行调整,增加高难度弹射如侧倾、倒扣飞行时的生还机率。

自从弹射座发明以来,共挽救了超过7000名机组人员的生命,有记录的弹射生存率达到92%。这一行业的领军企业——英国马丁贝克公司还搞了个俱乐部,所有在该公司座椅中弹射获救的机组人员,可以获发证书和领带,并吸收入俱乐部,至今已有5800多成员!

恭喜生还,欢迎入伙!

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