Отделяемые кабины

Отделяемая кабина имеет большую массу, которая требует для ее отстрела мощную катапульту или мощный ракетный двигатель. Такой двигатель будет создавать в момент запуска мощную ударную нагрузку. Отделяемая кабина представляет собой крупную цель для поражения противником при спуске. С конструктивной точки зрения, быстрое разъединение электрических, гидравлических, пневматических и механических систем в момент отделения кабины, да и само отделение кабины от самолета является чрезвычайно сложной задачей. Применение отделяемой кабины на малых высотах очень затруднено тем, что ее необходимо забросить на большую высоту, чтобы успели сработать все системы. Кроме того, ввод парашюта, затормаживающего кабину, и ввод основного кабинного парашюта, которые происходят при воздействии отрицательных ускорений, доходящих до значений 30...32, а также жесткое приземление могут причинить серьезные травмы экипажу, если не будут применены специальные системы типа привязных ремней, амортизирующих посадочных устройств с соответствующими характеристиками.

На рис. 33 схематически представлено действие приблизительно одинакового по величине отрицательного ускорения на летчика, находящегося в обычном кресле (рис. 33, а), и на летчика, находящегося в отделяемой кабине (рис. 33, б). Ниже приведены характеристики катапультного кресла и отделяемой кабины:

Рис. 33. Действие отрицательного ускорения на летчика

Рис. 34. Схема отделяемой кабины самолета Х-2 фирмы «Белл» (1950 г.): 1 — центральная камера; 2 — четыре срезные шпильки

В случае отделяемой кабины летчик испытывает перегрузки, подобные перегрузкам, создающимся во время резкого торможения при аварийной посадке.

Несмотря на конструктивные трудности при решении возникавших проблем, большой объем исследовательских работ и отсутствие уверенности в том, что при необходимости спасения на больших скоростях и на малых высотах с отделяемой кабиной можно будет достигнуть желаемых результатов, несколько типов отделяемых кабин все же были разработаны.

Мало того, высказывались предположения, что в дальнейшем будут разработаны стандартные отделяемые кабины в одноместном и двухместном вариантах, которые будут устанавливаться на самолетах любого типа.

Работы велись несколькими самолетными фирмами и научно-исследовательским управлением флота США. В начале сентября 1956 г. американский экспериментальный самолет Х-2 фирмы «Белл» достиг высоты 38, 5 км, рекордной для пилотируемых самолетов. Перед этим Х-2 разогнался до скорости 3050 км/ч. 27 сентября 1957 г. самолет Х-2 потерпел катастрофу. Его потеря прервала в США исследования в области больших скоростей и высот. Это был первый самолет с отделяемой кабиной. Фактически отделялась даже не кабина, а вся носовая часть фюзеляжа.

Отделяемая кабина крепилась к фюзеляжу в четырех точках по окружности (рис. 34). При нажатии кнопки аварийного сбрасывания происходило воспламенение заряда в центральной камере, расположенной за днищем кабины. Давление от центральной камеры передавалось по трубопроводам к четырем шпилькам, удерживавшим кабину, и выталкивало кабину вперед. При помощи вытяжного парашюта раскрывался основной ленточный парашют, на котором кабина спускалась до высоты 3000...3500 м. На этой высоте летчик покидал кабину, отделяясь от нее, открывал индивидуальный парашют и спускался на нем на землю. Катапультного кресла на самолете не было.

Похожая по конструкции отделяемая кабина имелась и на другом реактивном самолете D-558 «Скайрокет» фирмы «Дуглас», построенном в 1948 г. (рис. 35).

Фирма «Чанс-Воут» выполнила заказ ВМФ США на разработку спасательной кабины для скоростных самолетов, летающих на больших высотах. Кабина состояла, по существу, из передней части фюзеляжа самолета (рис. 36).

Рис. 35. Отделяемая кабина экспериментального самолета D-558 «Скайрокет» фирмы «Дуглас»

Одной из первых была разработана спасательная капсула для самолета F-8-1 «Крусейдер» фирмы «Чанс-Воут». Преимуществом кабины по сравнению с обычными или заключенными в капсулу катапультными креслами являлось то, что летчик имел полную свободу движений, так как ему не приходилось пользоваться парашютом, кислородной маской и т. п., поскольку обеспечивался наддув и вентиляция капсулы.

Спасение летчика осуществлялось следующим образом. Сначала капсула отделялась от самолета, причем для быстрого отделения капсулы от самолета применялся ракетный двигатель. Капсула стабилизировалась выдвижными стабилизаторами, а для торможения применялись тормозные щитки. На высоте 18 500 м при скорости 800 км/ч раскрывался первый парашют, а на высоте

Рис. 36. Отделение кабины от самолета F-8-1 «Крусейдер» фирмы «Чанс-Воут»

4300 м, когда скорость уменьшалась до 350 км/ч, раскрывались три парашюта, обеспечивавшие безопасный спуск капсулы на землю. В случае потери летчиком сознания управление снижением осуществлялось с помощью полуавтоматического устройства. Капсула обладала плавучестью и в ней имелись сигнальные ракеты, устройства для обогрева и запас продовольствия (см. рис. 36).

Кабина фирмы «Чанс-Воут» не удовлетворила ВМС и ВВС США, чьи требования к капсулам и отделяемым кабинам оставались неизменными. В этих требованиях оговаривалась расчетная скорость, высота, продолжительность полета, снаряжение экипажа и его состав. Кроме того, там было сказано, что:

перегрузки не должны выходить за пределы, установленные действующими нормами;

должно быть предусмотрено аварийное снаряжение летчика (маска, защитный шлем, высотно-компенсационный костюм, противоперегрузочный костюм и т. д.);

должно быть обеспечено надежное укрытие экипажу после приземления или приводнения в любых метеорологических условиях;

вручную не должно выполняться никаких действий по управлению этапами катапультирования, кроме ввода в действие всей системы (т. е. должно было выполняться только одно движение);

система должна быть выполнена так, чтобы имелась возможность применения ее на разных самолетах (универсальность);

должна быть предусмотрена возможность спасения на взлете, рулежке или посадке на земле или на палубе авианосца.

Рис. 37. Компоновочная схема отделяемой кабины фирмы «Локхид»:

1 — стабилизирующие поверхности; 2 — вентиляционный клапан; 3 — упор головы; 4 — кислородный баллон; 5 — материал, поглощающий удар; 6 — ножная скоба; 7 — рычаг катапультирования кабины; 8 — аварийный комплект; 9 — ракетный двигатель; 10 — стреляющий механизм вытяжного парашюта; 11 — вытяжной парашют; 12 — узлы разъема

Фирма «Локхид» попыталась применить другую отделяемую кабину (рис. 37). Процесс катапультирования в этой кабине был подразделен на следующие этапы:

1) начало катапультирования; 2) фиксация экипажа привязными системами; 3) ввод в действие стабилизирующих плоскостей (систем); 4) отделение кабины; 5) торможение и стабилизация; 6) снижение; 7) посадка (приземление, приводнение); 8) применение систем жизнеобеспечения после приземления или приводнения.

Этап 1. Начало катапультирования. Несмотря на то что введение в действие системы не является сложной операцией, вызывающей какие-либо трудности, необходимо тщательно проверить, достигнута ли нужная надежность привода (ручки, поручни) системы. Задача конструктора в данном случае заключается в максимальной легкости ввода в действие системы и исключении любых возможностей ее случайного непроизвольного срабатывания. В основном предусматривается, что ввод в действие системы спасения осуществляется лишь соответствующим действием летчика. Проблемой здесь является выбор привода. Предпочтение было отдано рукояткам, установленным на подлокотнике. Такой способ обеспечивал хорошую опору для рук, снимая тем самым нагрузку с позвоночника в период действия порохового ускорителя, и предотвращал разброс рук в фазе торможения.

Этапы 2 и 3. Работа привязной системы и стабилизирующих плоскостей. До отделения кабины от самолета должны были сработать система фиксации летчика в кресле и установиться стабилизирующие плоскости. Силы торможения, действующие после отделения кабины от самолета, создавали нагрузку на привязную систему, а через нее — на кресло. Эти силы отличаются от традиционных сил, действующих на летчика при катапультировании в открытом кресле. В рассматриваемом случае летчика будет отрывать от кресла вместо обычного прижатия потоком встречного воздуха. Это должно учитываться для фиксации как туловища, так и головы.

Стабилизирующие плоскости должны быть установлены до отделения головной части, так как воздействие больших динамических давлений и большая неустойчивость самой отделяемой кабины могут привести за доли секунды после отделения к такому беспорядочному падению, при котором возникнут совершенно непереносимые человеком перегрузки.

Этап 4. Отделение кабины. Одной из основных проблем в системе аварийного покидания с отделяемой кабиной в условиях больших аэродинамических сил является процесс ее отделения от самолета как при больших скоростях, так и на малых высотах. В первом случае необходимо преодолеть большие аэродинамические силы, во втором — забросить кабину на большую высоту, достаточную для раскрытия и наполнения парашюта. Но это не единственная проблема, их много. Так например, необходимо:

обеспечить прочность самолета по месту стыка отделяемой части с основным корпусом фюзеляжа самолета до отделения и после;

обеспечить прочность отделяемой части конструкции (кабины) на всех этапах работы систем, которые управляют снижением и приземлением (приводнением);

обеспечить отделение головной части аппарата при любом, даже неблагоприятном пространственном положении самолета, попавшего в аварийную ситуацию (штопор, вращение,

пикирование и т. п.);

обеспечить динамику движения отделяемой кабины, при которой суммарные перегрузки, действующие на всех этапах движения, начиная от отделения кабины до приземления (приводнения), были бы не выше допустимых;

предотвратить возможность столкновения отделяемой кабины с самолетом или его частями.

Было проведено множество опытных работ по отделению кабины (или капсулы) на начальном участке траектории. Применялись различные способы отделения: движение по направляющим, поворотные рычаги, качающиеся рычаги и толкатели, состоящие из поршня и цилиндра. Окончательный вариант был выбран путем подбора величины и направления тяги ракетного двигателя, необходимых для нормального отделения и преодоления сопротивления кабины для случаев максимальных нагрузок от встречного воздушного потока. При этом перегрузки от работы ракетного двигателя не должны были превышать допустимые для человека величины в тех случаях, когда отсутствовали нагрузки от встречного потока. Надо полагать, что в случае применения отделяемой кабины (или капсулы) на ней будут применены все достижения современной техники, в том числе — электронная и микропроцессорная техника.

Особую сложность представляет создание надежной конструкции, обеспечивающей четкое разделение. При любой конструкции узлов, обеспечивающих разделение, первые 5...10 см движение кабины должно происходить параллельно плоскости разъема, без удаления, обеспечивая тем самым условия для разъединения стыков самолетных систем.

Этап 5. Торможение и стабилизация (рис. 38). Эта фаза катапультирования также характерна своими трудностями. С одной стороны, необходимо торможение кабины, чтобы перегрузки не превышали допустимые значения и вместе с тем не были слишком малыми (иначе растягивается время торможения и соответственно — время до выпуска и раскрытия купола парашюта).

Рис. 38. Отделяемая кабина фирмы «Локхид»: а — со стабилизирующими поверхностями; б — без стабилизирующих поверхностей; 1 — центр масс; 2 — аэродинамический фокус

Суммарное время торможения кабины имеет большое значение при катапультировании на малых высотах и при больших скоростях с углом наклона к земле.

Не менее важна стабилизация кабины для предотвращения ее вращения на начальном участке траектории, которое может приводить к сложению перегрузок от сил торможения и вращения, выходя при этом за пределы перегрузок, переносимых летчиком. Кроме того, устойчивое движение кабины необходимо для того, чтобы нормально сработали механизмы раскрытия парашюта (во избежание его перекручивания) и барометрические датчики скорости. Эксперименты показали, что носовая часть кабины после отделения от самолета становится

аэродинамически неустойчивой.

Для достижения статической и динамической устойчивости аэродинамический фокус отделяемой системы должен быть смещен назад за центр масс, а эту задачу, как правило, могут решить стабилизирующие поверхности (см. рис. 38, а). В процессе отработки системы стабилизации было проведено большое число расчетов, продуто в аэродинамической трубе более 50 моделей стабилизирующих поверхностей различного типа. Опыты показали, что в эксплуатации кабина в таком виде оказалась недостаточно эффективной.

В носовой отделяемой кабине для получения качественной стабилизации и своевременного ввода парашюта после торможения уже сейчас можно производить ориентирование, применяя микропроцессорную и электронную технику. Она позволяет управлять величиной и направлением вектора тяги двигателя и временем срабатывания всех систем.

Этап 6. Снижение. Даже в условиях хорошо организованного стабилизированного снижения непросто обеспечить выживание экипажа после прекращения вентиляции кабины, т. е. после того, когда прекращается поступление в кабину холодного или горячего воздуха, ранее отбираемого от двигателя самолета. Это особенно важно, когда отделение происходит на предельно больших скоростях, так как тогда происходит интенсивный аэродинамический нагрев обшивки. Кроме того, для поддержания в кабине атмосферы с достаточным содержанием кислорода и необходимым давлением требуются емкости с запасом газов на весь период снижения до высоты 4...5 км. Предполагалось, что для удобства пилотирования в полете летчик не будет иметь специального компенсационного костюма. Однако возможность внезапной разгерметизации кабины от боевого повреждения или неисправности может изменить отношение к этому вопросу. Изменится оно еще и потому, что при конструировании основным критерием может послужить масса, поэтому вместо предполагавшегося возмещения утечек бортового запаса воздуха более надежен и с меньшей потерей массы может быть использован компенсационный костюм.

Второй проблемой этого этапа процесса катапультирования является своевременное и быстрое раскрытие парашюта. При катапультировании на малой высоте необходимо быстрейшее раскрытие купола и произойти оно должно в наивысшей точке траектории. Импульс энергодатчика для отделения кабины рассчитывается на такого рода катапультирования. При катапультировании

Рис. 39. Последовательность срабатывания элементов системы ввода парашюта отделяемой кабины фирмы «Локхид»: I — раскрытие вытяжного парашюта; II — вытягивание контейнера с главным парашютом; III — раскрытие главного парашюта; 1 — контейнер с вытяжным парашютом; 2 — вытяжной снаряд; 3 — контейнер с главным парашютом; 4, 5 — вытяжные парашюты для большой и малой скоростей соответственно

на большой высоте или большой скорости парашют должен раскрываться с определенной задержкой.

Последовательность стадии раскрытия парашюта представлена на рис. 39. Стреляющий механизм вытягивает парашют летчика, который в свою очередь стягивает контейнер с основным парашютом. У основного парашюта сначала вытягиваются из контейнера стропы, это обеспечивает большую надежность раскрытия купола.

Этап 7. Стабилизация кабины в момент приземления. При обычном прыжке с парашютом летчик в момент касания производит некоторое торможение и амортизацию ногами, благодаря чему безопасная вертикальная скорость снижения ограничивается величиной 5...7 м/с. При приземлении кабины этого нет. Гашение скорости может быть достигнуто только размерами площади парашюта. Скорость снижения кабины в момент приземления не может быть доведена до нуля сопротивлением воздуха.

Гашение скорости было доведено до 10 м/с. Последующее уменьшение скорости приводило бы к значительному увеличению размеров парашюта, а это, в свою очередь, отрицательно сказывалось бы на характеристиках торможения на начальном этапе работы парашютной системы.

Были исследованы и другие способы торможения: воздушное торможение, амортизаторы и подушки из бумаги. Вначале предполагалось, что кабина должна сохранять нормальное положение при выравнивании в любых условиях местности. При исследованиях были выявлены недостатки такого решения и от него пришлось отказаться.

Окончательно выбранная система была основана на лучшей переносимости человеком поперечной перегрузки в сочетании с поглощением энергии конструкцией носовой части кабины. Для осуществления этого метода кабина снижается в крайнем вертикальном положении. Облицовка носового конуса кабины выполнена из жароупорной керамики, разрушающейся при раскрытии парашюта. Это обеспечивает начальный контакт передней металлической части конструкции с землей. Носовой конус улучшает характеристики торможения за счет деформации своей конструкции. После этого кабина начинает вращаться и два клиновидных стабилизатора поглощают небольшой остаток энергии. Снижение кабины крутым пикированием облегчает задачу крепления парашюта и обеспечивает остальную последовательность операции торможения (см. рис. 39). Из нижних клиновидных стабилизаторов выдвигаются два надувных мешка, которые придают кабине устойчивость по крену при приводнении. Этап 8. Выживание. После благополучной посадки кабины возникает только одна проблема — выживание экипажа до момента появления спасателей. Большим преимуществом конструкции кабины является то, что она сама может служить летчику средством укрытия или спасательной лодкой. Кабина имеет хорошую изоляцию, так как она рассчитана на большие скорости полета. Условия внутри кабины можно легко регулировать путем изменения тени над фонарем или открытия-закрытия фонаря. Внутри кабины имеется достаточно места для размещения спасательного снаряжения: радиостанции, буев, пищи, одежды, принадлежностей для охоты и рыболовства и т. п. Содержание НАЗа, разумеется, зависит от того, над какой местностью летает самолет. Большой располагаемый объем контейнера допускает размещение в нем большего ассортимента снаряжения, чем это возможно в контейнерах современной конструкции, размещенных в открытых катапультных креслах.

Разработанную отделяемую кабину в виде носовой части фирма «Локхид» пыталась применить на экспериментальном самолете F-104 (см. рис. 37). Для того чтобы предотвратить сильную неустойчивость этой кабины, перед катапультированием выпускались стабилизирующие поверхности. Кабина отделялась от самолета под действием порохового ракетного двигателя с максимальной тягой порядка 200 кг/см² и продолжительностью действия 0, 5 с (импульс J=100 кН). Вектор тяги проходит через центр масс кабины под углом 30° к ее горизонтали (см. рис. 38, 39).

Однако кабина использована не была. На этом же самолете предполагалось применение катапультируемого вниз кресла «Модель Д», но и оно не нашло применения на серийных самолетах F-104 — на них стали устанавливать кресла Mk. 7 английской фирмы «Мартин-Бейкер».

Для спасения экипажа самолета F-111 была разработана двухместная отделяемая кабина (рис. 40). В случае аварийной ситуации любой из двух летчиков мог потянуть соответствующую ручку и тем самым ввести в действие систему спасения. После

Рис. 40. Двухместная отделяемая кабина самолета F-111 фирмы «Дженерал Дайнэмикс»

этого все последующие операции осуществлялись автоматически. Кабина обеспечивала спасение и на старте. Полная тяга двигателя составляла 113 кН и была направлена через центр масс кабины. После отделения кабины принудительно вводился стабилизирующий тормозной парашют диаметром 1, 83 м, а при уменьшении скорости ниже 550 км/ч и высоте 4500 м вводился основной парашют диаметром 21, 3 м. Кабина снабжена надувными баллонами для амортизации удара при посадке, обеспечивающими плавучесть. В случае вынужденной посадки самолета на воду кабина автоматически отделялась при погружении самолета в воду глубже 4, 5 м.

В 1967 г. два члена экипажа самолета F-111 катапультировались при скорости 450 км/ч на высоте 9000 м и благополучно приземлились в отделяемой кабине. Однако при дальнейшей эксплуатации после вынужденного применения отделяемой кабины большинство случаев заканчивались катастрофами. Катастрофы послужили причиной отказа от применения на самолете F-111 отделяемой кабины, и на самолетах были установлены открытые катапультные кресла типа ESCAPAC. Также вынуждены были отказаться от спасательных капсул и на бомбардировщике В-70 «Валькирия». Аналогично самолетам F-111 от отделяемой кабины вынуждены были отказаться и на сверхзвуковом бомбардировщике В-1.

Созданные за рубежом отделяемые кабины и капсулы ввиду их малой эффективности не нашли широкого применения и, более того, уже применяемые на самолетах F-111 и В-1 были заменены на открытые катапультные кресла.

Усложнение самолетов применением на них в качестве средств аварийного покидания отделяемых кабин и капсул, по сравнению с катапультными креслами, делает их малоперспективными для истребительной авиации, но не исключает возможности их применения на специальных аппаратах и гиперзвуковых самолетах.

Да и статистика аварий в истребительной авиации свидетельствует о том, что большинство катапультирований происходит на малых высотах, где преимущества за катапультными креслами, а не за отделяемыми кабинами. Этим и объясняется, что созданию средства аварийного покидания на малых высотах при различных углах, на разных скоростях снижения уделяется основное внимание.

Имеющиеся меры обеспечения защиты летчика при катапультировании (от воздействия скоростного напора воздуха — с помощью снаряжения, улучшенной фиксации конечностей и защитой головы, автоматикой, управляющей вектором тяги двигателя кресла по его величине и направлению) позволяют считать, что катапультные кресла еще долгое время будут незаменимы в боевой авиации.

Например, бомбардировщики F-111 и В-1 выпускаются с катапультными креслами, а не с отделяемыми кабинами, как предусматривалось ранее. Тем не менее, перспективы создания самолетов, рассчитанных на полеты со скоростями при М=6 и более и достигающих потолка свыше 30 000 м, приведут к несоответствию характеристик кресел и таких самолетов: летчик в открытом кресле пострадает от воздействия аэродинамического нагрева при таких значениях М или от воздействия очень низких температур и декомпрессии на больших высотах. Для таких режимов полета капсула или отделяемая кабина могут оказаться более эффективным средством спасения.