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假如人乘坐超音速飛機時突然彈射出去,會不會在音障上面撞成碎片?

2019-11-17知識

想知道高速乃至超音速氣流沖擊人體會怎樣?電影【飛鷹行動】裏成龍就給吹成這樣了:

成龍大哥這還是低速風洞,高速風洞試驗經常能吹出這樣的結果:

脖子直接扭折

讓我們聽聽一位中低空超音速彈射幸存者的故事:1995年4月19日,美國空軍飛行員Brian Udell在約7000米的高度失去了對座機F-15的控制,進入了高速垂直下墜,速度約合1300千米每小時,即1.2馬赫左右。當高度跌至3000米左右時他彈射了。

肉身破音障俱樂部會員現身說法 https://www.zhihu.com/video/1179697707148636160 在我們彈射時1300千米時的速度下,氣流不再是風而像是一輛貨車。它瞬間把我的面罩剝掉,爆掉了我頭面部的所有血管。我的臉被吹漲到籃球那麽大,嘴咧得有根黃瓜那麽寬。面罩的鎖扣嵌進我臉上,從兩邊撕下來兩大塊皮來。我的右臂吹脫進氣流中,肘關節脫了臼,手臂朝後拐過去,肌肉也從胸上撕裂下來。座椅兩側本來有擋桿限制兩腿分開,然而在這種速度下,檔桿被吹分開,我的腿越過擋桿在氣流中開始被吹著甩起來。拽著我的右腿沒讓膝蓋以下被吹飛的,只剩下我腿上的血管、神經和皮膚了。

驚悚不,一個精壯的漢子進了超音速氣流,體驗到了胳膊肘朝外拐,整個人好像提線木偶一樣被氣流玩弄於掌股之上,事後休養了十個月才重新上天飛。他這還是走運的,後座飛行員在氣流中就當場斃命了。

因此,彈射座椅都要設法牢靠固定飛行員的肢體,有的還設法遮擋吹向飛行員的高速氣流,例如40年代的早期彈射座椅就是用下拉一個面罩來觸發,能抗800千米時的氣流:

然而這種設計後來淘汰了,因為高過載時,胳膊的重量可能增加數倍,想擡手過頂可不容易,現在觸發彈射全靠拉兩腿之間的拉環了。

還有一種設計是向後倒再彈射,靠屁股底下的整流罩乘風破浪:

B-58超音速轟炸機的座椅是帶折疊艙蓋的:

現役的俄國K-36D則會升起一塊擋流板:

高速飛行彈射的危險性是多方面的,不僅取決於瞬時的速度,還有以下幾方面:

1. 高度:眾所周知海拔越高空氣越稀薄,突破音障時的阻力越小,激波對人體的動壓就越弱。

來看看當代最先進的兩種彈射座椅,俄國K-36D和美國ACES II的彈射包線,也就是適用彈射的範圍:如果彈射高度和速度對應的座標點在曲線範圍內,說明生存機會很大,反之則近似自殺——

可以看到,兩種座椅在高空允許彈射的速度更快,K-36D甚至號稱15000米以上允許3馬赫彈射,但在5千米時只允許1.5馬赫內彈射了,原因就是中低空空氣稠密,同樣速度下人體承受的動壓高得多。

1966年1月25日,SR-71黑鳥偵察機在試飛中單側發動機失效,飛機在另一側發動機的強大推力下進入高過載後解體,試飛員Bill Weaver在超過2馬赫速度下彈射生還,原因就是事發高度超過2萬米,空氣稀薄。

大難不死的比爾大爺,彈射後兩周又飛黑鳥去了

另一則例證,是Felix Baumgartner在2012年10月14日創下跳傘高度世界紀錄時,自38969米起跳,自由落體49秒後達到1357千米每小時的最大速度(此時高度約在2萬米以上),約合1.2馬赫,用頭盔破了音障並安然無恙,到達預定高度時開傘安全落地。

費叔肉身破音障想像圖

高空彈射雖會降低高速氣流沖擊帶來的風險,卻會帶來低溫、低壓和缺氧三種新的危險。

先看低溫。在1萬~3萬米之間,氣溫低於零下40°C,無防護暴露數分鐘即可凍傷:

再看低壓:在超過1.8~1.9萬米的高空(岩士唐極限),氣壓低於47毫米汞柱時,水的沸點接近人的體溫,此時暴露在大氣中,肺泡內的表面活性物質會瞬間蒸發,人體無法從外界獲取氧氣,數分鐘內必死。

最後看缺氧:超過4500米海拔時多數人即有缺氧反應;沒有氧氣供應,超過7000米的彈射多數會造成昏迷。

因為低溫、低壓、缺氧這三種危險,彈射座椅必須配合加壓服才能在高空彈射。當今主流彈射座椅都有高度傳感器,在高空時不開傘,用自由落體減少在高空滯留的時間。

2. 過載:現代彈射座椅由火箭發動機驅動,瞬時加速度可達20G,坐姿不當可導致脊椎壓縮性骨折;另外受高速氣流沖擊時,座椅可發生劇烈翻滾,超過人體承受限度時也可能造成傷害。

K-36D座椅後方的兩根長桿和小減速傘即為抗翻滾而設,好比箭羽

3. 碎片劃傷:有不少較早的機型采用拋蓋彈射,先把座艙蓋投擲去再彈人,比如F-16

但拋蓋會浪費0.5秒左右時間,這在低空、即將進入不利姿態時可能會要了命。後來有很多戰鬥機采用穿蓋彈射,靠座椅上的撞角撞破座艙蓋,或幹脆用導爆索炸碎艙蓋:

頭頂曲折的線材就是導爆索
穿蓋很暴力,碎片偶可傷人

此外,現代先進彈射座椅還有多種傳感器,能感知彈射姿態並進行調整,增加高難度彈射如側傾、倒扣飛行時的生還機率。

自從彈射座發明以來,共挽救了超過7000名機組人員的生命,有記錄的彈射生存率達到92%。這一行業的領軍企業——英國馬丁貝克公司還搞了個俱樂部,所有在該公司座椅中彈射獲救的機組人員,可以獲發證書和領帶,並吸收入俱樂部,至今已有5800多成員!

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