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資料圖：殲-10的抗過載設計並不完美（攝影：威猛）

　　在殲-10上我國實現了戰鬥機9G持續過載達到15秒的三代主流水平。但最新型戰鬥機的抗過載要求並不止於此，西方國家現在甚至已經實現了超過10G過載持續45秒的研究水平。那麼殲-20將會如何發展抗過載能力呢？

　　一。殲-10的設計教訓

　　這個世界上從不存在設計完美的飛機，從項目總體論證到具體詳細設計，一型飛機總要留下各式各樣的缺陷，一些缺陷可以改進、彌補，另一些涉及面太廣、改動成本太高的缺陷就只能付諸感嘆，殲-10設計也是如此。

　　由於我國長期匱乏高過載飛行經驗，設計方意圖和用戶意見常常衝突；在殲-10相關部分的論證設計過程中，就因此出現了明顯的不協調和自相矛盾。從好的方面來說，殲-10項目從一開始對抗過載設計便非常重視，新殲項目還在向相關研究所下達預研通知時就強調了高過載座艙的設計技術，並在國內首次將加壓呼吸功能作為飛行員抗過載措施的重要組成部分。這兩項技術都是三代機能夠進行持續性高過載飛行的關鍵所在。

　　從不夠協調的方面來說，三代鴨式布局戰鬥機，是從飛行原理上最適合、總體性能設計中也最強調高敏捷飛行的。但殲-10在座艙抗過載設計上未能突破傳統中置駕駛杆座艙的設計限制，導致性能和三代機中的F-16、陣風等型號存在一定差距；在以最短時間達到極限過載，過載增加速率特別大的高敏捷飛行條件下，這種差距甚至會被放大到超過1G以上。而對於那些自身基礎抗荷能力好、對於抗荷措施改善效果更加敏感的高素質飛行員來說，這種差距還會表現的更大。

　　從自相矛盾的方面來說，殲-10在早期配套抗荷服的選擇方向上犯了嚴重的路線錯誤。側管式抗荷服對於飛行員腿部、胸腹的加壓過程非常死板，壓力大小不會隨着飛行員的呼吸協調變化；這使飛行員在進行加壓呼吸時胸腹部肌肉特別費力，一般只能維持幾分鐘到十幾分鐘就會嚴重疲勞。

　　實際上側管式抗荷服不僅限制了飛行員的抗載荷能力，而且還直接導致了2004-2005年前後，殲-10部隊一度頻繁出現飛行員肺萎縮的病例：很多殲-10飛行員出於對呼吸疲勞的難以忍受和畏懼情緒，常常不願執行在過載飛行中進行加壓呼吸的相關規定。然而加壓呼吸強制向飛行員肺部中灌入帶有額外壓力的大流量氣體，正是預防肺萎縮的最有效措施之一。

　　大過載下飛行員的肺臟由於高倍重力作用往下墜，腹腔內的器官又被抗荷服壓住往上涌，肺葉本身就受到雙重壓迫。一旦飛行員吸入肺部內氣體(高含氧量或是純氧)中的氧氣被肺泡吸收完，肺葉缺乏氣體的支撐就會被壓扁而無法自行恢復到舒張狀態。西方也曾在上世紀6、70年代時大量出現這類問題，但隨後就從裝備改進和制度管理上進行了有效克服，到80年代以後已極少見諸報道。從整體歷史上看，這也算是我軍彌補訓練欠賬所必須交出的學費。

　　即使是現在的殲-10早已完成換裝新型環控系統和囊式抗荷服等改進，實現了堪稱三代主流水平的9G過載持續15秒的能力，但是和最新一代戰鬥機的要求卻仍然有着很大的差距。這種差距主要體現在三個方面：現有的抗荷服覆蓋體表面積相對較小；沒有抗荷背心提供胸部外的對抗壓力，使加壓呼吸的強度仍然處於一個較低的水平；整個抗荷系統的反應速度不夠快，不能滿足應對過載變化非常快的高敏捷飛行要求。

資料圖：老式的KH5抗荷代償兩用褲

　　在戰鬥機抗過載性能的前沿研究中，西方國家現在已經實現了超過10G過載持續45秒的成績。然而就像西方也很難直接將這種高水平成果直接移植到現有三代機上一樣，殲-10由於座艙、環控等源於飛機平台的限制，未來的抗過載能力提升將較為有限。

　　但是殲-20則完全不同，作為全新設計的戰鬥機，它在新技術的應用上沒有各種基於歷史原因形成的限制。雖然在自研三代機的飛行員個人防護裝備上，我國產品性能一度落後西方20~30年，在舒適性、重量、維護性等方面差距還要更大；但這其中有很大程度是來源於理論水平和觀念認識上的欠缺，這在今天早已得到了很大的彌補。

　　可以相信的是，殲-20在過載設計上將會是我國有史以來理念最為先進、和西方前沿科研領域水平相差最小的一款型號，決定其性能的主要限制基本上只會來自於技術能力層面。事實上我們完全可以通過現有的三四代戰鬥機型號，來推測殲-20抗過載發展的一些基本脈絡。

　　二。殲-20極可能採用F-16的30度後傾座椅

　　在國內21世紀以後的研究中，大後傾座椅的優勢開始在軍隊科研系統內部也得到越來越多的認同。除了長期以來的一些偏見，比如“30度以上的後傾座椅會對飛行員的認知能力形成負面影響”被證明毫無根據外；超出9G強度的高過載試驗也反覆證明，大後傾座椅已經是達成期望指標的必需措施。比如我國十多年前在地面離心機試驗中初步突破10G過載(持續10秒)的指標時，就是在45度後傾座椅上實現的；而如果在飛機上，這就正好等效於30度後傾座椅。

　　從殲-10的實際飛行經驗和近年來的實驗研究來說，殲-20採用比殲-10更大的座椅後傾角度幾乎是可以肯定的。而這個角度的大致範圍，是與現有的西方型號——比如F-16、F-22、陣風等戰鬥機保持一致，在30度左右；還是選取更大的45度角，又或是F-16最初設計時曾經考慮過的65度？

　　如果僅從地面離心機測試來說，二代機和部分早期三代機(比如F-15與蘇-27)設計採用的傳統13度左右後傾設計與30度後傾設計實際效果相差很小；抗過載能力明顯增強的臨界點正好出現在30度以後，達到45度時已經非常明顯。尤其是對於素質較好的飛行員，45度後傾座椅會為他們提供1.6G以上的抗荷加成；即使是一般飛行員，普遍也能獲得超過1G的益處。

　　這種增益還是在過載增加速率保持在一般三代機性能要求(3G/秒)下，即飛行員要花接近3秒鐘從平飛進入最大過載狀態下獲得的數字。如果是按新一代的高敏捷飛行要求(6G/秒)，戰鬥機必須在不到1.5秒以內從平飛進入到最大過載狀態，45度座椅後傾角度的優勢還將明顯加大。

　　從實際飛行來說，飛機在高過載狀態下一般會有15度以上的抬頭迎角，也就是說30度後傾座椅在飛行中能夠獲得大於地面離心機測試中45度座椅的效果。這正是殲-10、FC-1等機型在傳統座艙布局限制下儘可能改善抗過載能力的秘訣之一：將座椅後傾角度設計成略大於20度，既和傳統座椅座椅相差不特別大，又能在飛行中形成接近40度的實際後傾角度，也能獲得較為明顯的抗過載能力提升。

資料圖：與殲-10相比，殲-20加大了座椅後傾角

　　雖然這種迎角的加成對於45度、65度座椅一樣有效，但是座椅後傾角度太大也並不全是好事。第一個壞處是飛行員躺的太倒以後，座艙視野必然嚴重受限，這對於視距內的戰鬥非常不利；第二個壞處是座椅占據的縱向空間會大幅加大，對座艙設計來說很難容納；而第三個壞處則更要命，它會嚴重加大彈射救生的技術難度和失敗幾率。

　　因此多數飛機設計師都認為，在抗過載能力與飛機總體設計之間取捨的最佳結果，就是採用30度左右的後傾座椅。這又帶出了一個衍生問題：飛機最好使用側置駕駛杆布局。

　　三.F-16側杆設計不佳，殲-20側杆可能類似陣風

　　飛行員大幅後傾以後，右手再要夠着離襠部有一定距離(保證人身安全)的中置駕駛杆就很不順手了。F-16為此採用了側置駕駛杆，但因為設計年代太早，它在人機工程學上的性能遠達不到網絡上一些人無限吹噓的程度，甚至可以用糟糕來形容，這正是當年我國軍隊抵制側杆設計的關鍵原因之一。

　　F-16最早採用的是力信號回饋駕駛杆設計，飛行員完全扳不動駕駛杆，只能依靠右手握力的方向與大小來控制飛機。但是生理特性就決定了人對於力大小的敏感程度遠低於對距離的敏感程度，尤其是在高過載下飛行員全身都要繃着勁，用力大小和方向就更難把握了。在後來批產時，F-16對於側杆進行了改進，增加了位移信號回饋功能；飛行員終於可以把駕駛杆前後左右扳動了，但由於位移行程僅有3毫米，因此總的操控感仍然不理想。

　　因為駕駛杆的操控問題，F-16的駕駛培訓難度偏高；在整個三代機範圍中，F-16系列的培訓時間、雙座機比例一直都保持在特別高的水平。這不僅帶來了很大的經濟成本問題，也帶來了服役早期頻發的飛行安全問題：當美國人殘暴兇狠的飛行訓練傳統遇上不易控制拉杆程度而又相當敏捷的F-16，一系列機毀人亡的事故就出現了。在事故原因的調查統計中，飛行員由於瞬間飛行過載達到12~13G導致暈厥，最終墜機的情況並非個例。

　　客觀的說，要處理好高過載下僅用手腕控制的駕駛杆操控特性，達到力度、行程的最優化；實現既控制靈活又不易推拉過度，行程足夠大又不易在高過載下誘發飛行員手腕疲勞、扭傷的效果，確實有較大的設計難度。恰好我國早年對於側杆的認識幾乎全部來自於F-16，很多人將F-16的設計不足當成了側杆本身難以克服的缺陷——這甚至還包括了611設計所的部分設計人員，因此殲-10最終選擇了大行程的傳統中杆設計。

　　側杆設計在後來的陣風和F-22等型號上得到了非常大的完善，尤其是陣風。法國在航空領域的人機工程、個人防護設備等方面造詣極深，不少方面還超過美國；比如陣風戰鬥機的飛行員抗過載防護系統中，它所採用的電子調節式抗荷調壓器就比F-22的機械反饋結構產品要先進整整一代；不出意外的話，殲-20抗荷系統中的抗荷調壓器也將進化為電子控制結構。除了駕駛杆的操縱品質非常出色以外，陣風的駕駛杆、油門杆的安裝位置還刻意進行了大幅度增高；以徹底消除飛行員的手臂疼痛問題——這是中杆飛機所做不到的。

　　三代機飛行員在高過載下飛行時，會受到高重力與加壓呼吸的共同作用，血液向靜脈內大量沉積導致血管擴張，這種現象很容易使飛行員產生強烈的手臂疼痛。對於操作飛機時手臂位置一定會特別低的中杆布局三代機，這種現象尤其嚴重和普遍，對飛行員在空戰中的注意力集中和操作動作準確性影響很大。JAS-39就出現過這種問題，後來專門改進了飛行員的抗荷服裝，為手臂施加外部壓力以緩解血管擴張的現象。在訓練強度較大的殲-10部隊中這一問題也比較嚴重，而且現在還沒有針對性的手臂防護措施。

資料圖：陣風的駕駛杆和油門杆安裝位置都高於正常標準，這一思路很可能會被殲-20吸取

　　611所雖然在殲-10和FC-1兩個型號的研製過程中都是採用中杆布局，但是對駕駛杆的力、位移雙重耦合回饋設計卻已經很有經驗。尤其是FC-1的飛控研製過程中，如何使駕駛杆在能夠同時協調電傳與機械飛控的情況下仍然具有良好的操控特性，對於611所的人機工程水平起到了很大的鍛煉作用。以611所的研製歷史和一貫能力表現來說，在今天研製出媲美陣風的側置駕駛杆設計並不算是奢望。而在側杆和油門杆的基本布局上，採取類似陣風的高安裝位置設計不僅理論上是最佳的選擇，而且殲-10的實際飛行經驗也證明了其必要性。

　　四。殲-20新抗荷系統將採用新型結構抗荷服

　　在航空史上，人類研製過很多種結構的抗荷服；這其中一部分已經被證明沒有實用價值而被放棄，另一部分雖然性能前景看好，但是由於種種限制仍不能投入實用，只能繼續在實驗室中發展。比如堪稱“喪心病狂”的阻斷式抗荷服，它在飛行員大腿根部設置了高壓環形氣囊，通過在短時間內完全阻斷下肢的血液循環可以獲得2.6G甚至更高的抗荷效果；但由於飛行員對它帶來的巨大疼痛實在是無法忍受，因此從未實用過。

　　再比如很多讀者都對動畫《EVA》中充滿液體的駕駛艙印象深刻，其實它的原型之一來自於麥道公司一種始終未能實用化的“擬人防護服”綜合防護系統。該系統將人體置於平齊頸部高度的液體中，藉助液體不可壓縮的特性，均勻的對人體表面施壓，理論上可以達到超過7G的抗荷效果。

　　在上世紀四十年代，加拿大曾經研製過另一種水壓結構的抗荷服。它在飛行員頭部高度設置了水箱，在雙層褲子中設置了一個充水夾層。在高過載時，褲子內的水壓會同步增大，為人體提供1.7G的抗荷效果。因為使用起來太麻煩，水壓抗荷服短暫裝備後就被淘汰了，但這種技術仍在實驗室中發展。早在90年代瑞士、德國、美國的聯合實驗中，類似的夾層結構充液服就完成了持續性12G過載試驗，飛行員在9G下甚至還能完成吃東西的動作。

　　然而這些實驗室中的高效抗荷方案，始終無法擺脫設備複雜沉重、可靠性差等各種缺陷，至今無法真正實用普及。在經歷各種失敗和挫折後，現代抗荷服的發展路線仍然只能圍繞氣囊加壓式結構展開。比如殲-10現在配用的KH7，它就是典型的五囊結構，五個氣囊分別對應腹部、大腿、小腿；而散熱則通過氣囊內的氣體不斷通風完成。

　　由於基本原理上無法得到突破，新一代抗荷服的性能提升主要依靠增大氣囊對人體表面的覆蓋面積來實現。在面積上，新抗荷服氣囊對飛行員下身的覆蓋面積將從45%提升到60~90%的範圍；而在具體結構上，很可能從五氣囊進化成多個可伸縮氣囊。在不充氣時，這些氣囊會縮小成多個小囊，減少氣囊對人體的覆蓋面積，有利於透氣散熱；而在充氣時，小囊膨脹並連接成一個大氣囊，可以提供更大的體表覆蓋面積，提升加壓效果。

　　此外殲-20會進一步加強加壓呼吸的效果，而關鍵措施之一就是配備囊式抗荷背心；通過在胸部外施壓增加對抗壓力後，飛行員呼吸時承受的氧氣壓力可以得到非常明顯的提高。新型抗荷背心的結構非常可能類似F-22配備的CSU-17/P背心，採用方便穿脫的前開口、胸前雙氣囊和頸後小氣囊組合結構。

　　資料圖：第四代戰鬥機的抗荷服性能提升來自於氣囊覆蓋面積的提升——它已經覆蓋了飛行員的完整軀幹和下肢。包裹的這麼厚實，悶熱可想而知

　　五。殲-20將會有空前強大的環控系統

　　很多新的抗過載技術可以用於指導新型飛機研製，但卻難以應用於已有型號改進。最明顯的例子就是座艙抗過載設計，座椅、駕駛杆、油門杆、腳蹬、儀表台基本框架的設計在飛機定型以後都是難以進行較大幅度改動的。不僅如此，就連飛行員穿着的抗荷服也一樣要受到來自飛機平台的限制。

　　和普通人在盛夏中覺得不適、抱怨連天的悶熱相比，飛行員的悶熱是以生理耐受極限為衡量標準的，因為戰鬥機座艙很多時候(比如低空高速飛行、高機動飛行)實在是太熱了。即使是各國設計師們儘可能增大了座艙環控系統的通風量和製冷量，現在世界上仍然不存在完全解決座艙過熱問題的戰鬥機。

　　以狂風戰鬥機為例，它在超低空以0.9倍聲速飛行時座艙的熱功率接近13千瓦。這其中由前機身和空氣高速摩擦產生的熱量達到9千瓦，其餘則是雷達散熱和太陽照射座艙帶來的熱量。讀者可以試想自己和13千瓦的電爐擠在轎車內是什麼感覺；何況戰鬥機座艙空間遠比轎車小。這種問題還在變得越來越嚴重：四代機不僅強調持續性的超聲速飛行，而且都標配功率特別大的有源相控陣雷達。

　　當人體的體表溫度超過35度時，抗荷耐力就會開始大幅度下降，嚴重時幅度甚至可以達到2G以上，同時熱應激還會使飛行員出現頭暈、噁心、呼吸困難等一系列反應，喪失完成作戰任務的能力。美國空軍作戰部就是因此而做出了規定，氣溫超過38度以後禁止戰鬥機在900米以下飛行，超過45度則完全禁止飛行。

　　越是先進的抗荷服覆蓋人體的面積也越大，散熱越是困難；為了保證飛行員體溫不超標，座艙溫度需要降的更低。西方研究證明，當飛行員穿着覆蓋下身面積＞90%，以及有胸部氣囊的新一代抗荷服進行高機動飛行時，座艙溫度需要低到6度才能保證飛行員不因為體溫過高而損失抗荷能力。如果欠缺一套通風和製冷能力特別強大的座艙環控系統，要在夏季低空飛行中滿足這一要求是不可能的。

　　面對這種情況，殲-20必然會在設計中強調兩點。首先是前機身上的氣動加熱和雷達等電子設備產生的廢熱進行優化程度更高的處理，進一步減少它們對座艙的影響；比如努力提高液冷循環(將熱量傳遞給燃油進行預熱)的效率等。其次是吸取F-22環控設備的教訓，不過度苛求環控系統的低重量、小體積、高度綜合化；而是以絕對性能指標和可靠性為重，首先保證可靠性和座艙擁有足夠的通氣量和製冷量等關鍵指標。不出意外的話，殲-20上的環控系統很可能會是迄今為止單座戰鬥機中性能最為強大的。

　　結語

　　“武器裝備的性能”與“人的因素”實際上從來就不是孤立、以至於對立的因素。尤其是在設計、製造、使用都非常複雜的高技術裝備中，不利於使用者操作使用的武器不可能獲得良好的實用性能。而欠缺技能精湛、經驗豐富、理論水平優秀的使用者對項目論證、研製、改進過程進行準確的指引，一個國家就算擁有合格的工業科研能力也造不出性能優良的武器系統。

　　縱觀歷史，我國曾經長期被武器與人的兩元對立論調所毒害。可喜的是，在殲-10的發展過程中，這種趨勢得到了明顯的扭轉；我們完全有理由相信，殲-20將會在武器與人的結合上達到一個全新的高度。(作者署名：候知健)

資料圖：低空高速飛行中，狹小的座艙將受到高達十幾千瓦的熱功率烘烤