Почему катапультируемые кресла несовершенны?

  • 18 июня 2015
Катапультирующийся пилот Правообладатель иллюстрации Martin Baker

Катапультируемые кресла спасли жизни тысячам пилотов, однако механизм их работы по-прежнему остается несовершенным. Корреспондент BBC Future рассказывает об истории создания катапультируемых кресел.

В том, что майор британских ВВС Дуглас Дэйви выжил при аварии самолета во время испытательного полета 30 июля 1943 г., не было его заслуги. У летающей лаборатории Gloster E28, использовавшейся для испытаний первой британской реактивной силовой установки, заклинило органы управления. На высоте 10 км машина свалилась в штопор.

Прежде чем Дэйви принял решение выброситься с парашютом, фонарь кабины разрушился, и центробежная сила, помноженная на тягу реактивного двигателя, выбросила его наружу. При этом набегающий поток воздуха сорвал с летчика ботинки, шлем и кислородную маску. По счастью, Дэйви смог дышать через остатки трубки кислородного аппарата. Пролетев в свободном падении шесть кимлоетров, он умудрился раскрыть парашют и благополучно приземлился, отделавшись лишь незначительным обморожением.

Пять месяцев спустя, 4 января 1944 г., удача отвернулась от Дейви. По заданию Королевского НИИ ВВС, расположенного на аэродроме Фарнборо, он испытывал в полете опытный образец двухдвигательного реактивного истребителя Gloster Meteor. На шестикилометровой высоте один из двигателей полностью разрушился, и самолет потерял управляемость. При попытке открыть фонарь кабины и покинуть самолет Дэйви потерял левую руку — ее отрубило кромкой фонаря, который, по-видимому, захлопнулся под действием набегающего потока. Несмотря на это, летчик все же сумел выбраться из кабины, но столкнулся с хвостовым оперением и либо получил смертельную травму при ударе, либо потерял сознание. Тело Дэйви с нераскрытым парашютом рухнуло на крышу Королевского НИИ ВВС и пробило ее.

Трагическая смерть летчика-испытателя не была напрасной. Она проиллюстрировала опасности нарождающейся реактивной эпохи, связанные с увеличением скоростей полета до 900 км/ч. При попытке покинуть самолет на высокой скорости вырастает вероятность столкновения с вертикальным или горизонтальным стабилизатором. Более того, при потере управляемости в скоростном полете летчику трудно открыть фонарь кабины и выброситься за борт из-за повышенных перегрузок, вдавливавших его в кресло. Наконец, даже в случае успешного покидания самолета набегающий поток воздуха на высокой скорости способен поломать незафиксированные конечности.

Правообладатель иллюстрации The Picture CollectorGetty Images
Image caption Разработка британских систем аварийного покидания самолетов началась в связи с созданием первого в стране реактивного истребителя Gloster Meteor

Гибель Дэйви побудила британское министерство ВВС к исследованию возможных способов аварийного покидания реактивных самолетов. В результате были созданы катапультируемые кресла, которые на сегодняшний день спасли тысячи жизней. Через считанные секунды после попадания в аварийную ситуацию летчик оказывается в безопасности под куполом парашюта. Однако работа над усовершенствованием конструкции катапультируемых кресел продолжается: согласно статистике, в целом выживаемость при катапультировании составляет 89%, а при покидании самолета на высотах ниже 150 м — 51%. Эксперты в области авиационной медицины полагают, что эти показатели можно улучшить.

Британский инженерный гений

Британское министерство ВВС крайне серьезно отнеслось к проблеме невозможности покинуть аварийный самолет, поскольку она начинала подрывать моральный дух летчиков Командования истребительной авиации, которое планировало вскоре начать эксплуатацию реактивных истребителей Meteor в строевых частях. Министерство обратилось к своим традиционным подрядчикам, в том числе, к компании Martin-Baker, располагавшейся в городе Денем графства Букингемшир. Компанией заправлял Джеймс Мартин, словоохотливый инженер-самоучка ирландского происхождения.

Мартин был неутомимым изобретателем и рационализатором. Согласно биографии инженера, которую написала Сара Шармэн, он патентовал изобретения в самых разных областях знаний — от фритюрницы для рыбы и тента от дождя для велосипеда до трехколесного легкового автомобиля и системы подачи боеприпасов. В 1934 г. Мартин решил заняться авиастроительным бизнесом, основав компанию на пару с летным инструктором Валентайном Бейкером (который, кстати, в свое время учил летать Эми Джонсон — первую британскую летчицу).

Первой разработкой Мартина в области безопасности летчиков стал механизм сбрасывания фонаря кабины для истребителя Supermarine Spitfire, который он создал по заказу Командования истребительной авиации в декабре 1940 г. Во время маневренных воздушных боев с силами люфтваффе в Битве за Британию фонари на этих истребителях нередко заклинивало. Решение Мартина было простым и эффективным: потянув на себя подвешенный сверху красный резиновый мяч, летчик приводил в действие систему тросиков, отмыкавших ограничительные чеки по краям кабины, после чего фонарь мгновенно сдувало набегающий потоком воздуха. Этот механизм стал стандартным на всех самолетах Spitfire.

Правообладатель иллюстрации Getty Images
Image caption Кресла, устанавливавшиеся на ранних моделях реактивных истребителей наподобие Hawker Hunter, часто наносили летчикам травмы позвоночника при катапультировании

Тем временем Германия разрабатывала катапультируемые кресла для скоростного пропеллерного, реактивного и ракетного самолетов. Эта секретная программа велась с 1939 г. 13 января 1942 г. летчик-испытатель люфтваффе Хельмут Шенк катапультировался из потерявшего управляемость опытного двухдвигательного реактивного истребителя Heinkel He 280. Кресло на этом самолете выходило из кабины по рельсам с помощью баллона со сжатым воздухом. К осени 1944 г. британское министерство ВВС начало получать сообщения очевидцев о немецких летчиках, которые странным образом "выстреливались" из кабины за секунды до крушения их реактивных истребителей, пишет Шармэн.

Пиропатрон как источник энергии

"Несмотря на то, что конструкция катапультируемого кресла на самолете Heinkel была сырой, это устройство спасло десятки жизней в ходе войны", - говорится в статье Кайла Келлера и Джона Плага из Исследовательской лаборатории ВВС США, расположенной на авиабазе Райт-Паттерсон в штате Огайо. По словам авторов, анализ кресел, попавших в руки американских солдат, помог американцам ускорить разработку собственных систем спасения экипажа.

Шведская компания SAAB тоже работала над созданием катапультируемых кресел. В 1942 г. было проведено успешное катапультирование манекена из пропеллерного самолета SAAB 17. Вместо сжатого воздуха в конструкции кресла применялся гораздо более мощный источник энергии - пиропатрон.

Мартин, у которого был опыт создания авиационных вооружений, предполагал, что пиропатрон может обеспечить быстрый выход кресла из кабины по безопасной траектории, чтобы избежать столкновения летчика с хвостовым оперением самолета. Но ему не хватало данных в области физиологии — насколько мощным должен быть заряд, чтобы выбросить летчика из кабины, не нанеся ему при этом тяжелой травмы?

Был только один способ это выяснить: компания Martin-Baker построила несколько испытательных стендов, чтобы изучить последствия вертикального ускорения для организма сидящего человека. Первый такой стенд представлял собой металлическую треногу высотой 4,8 м с двумя направляющими рельсами для кресла, идущими вдоль одной из ног. Кресло выталкивалось вверх при помощи телескопических трубок. Источником энергии служил пиропатрон, мощность заряда которого можно было варьировать.

Испытания с манекеном весом 91 килограмм прошли успешно, но для получения сведений, необходимых Мартину, был нужен живой человек. Участвовать в тестах вызвался механик Martin-Baker Бернард Линч, который впоследствии сыграл роль подопытного в 30 испытательных катапультированиях в реальных полетных условиях, в основном, из самолетов модели Gloster Meteor.

Правообладатель иллюстрации Martin Baker
Image caption Современные кресла позволяют катапультироваться даже из самолета, стоящего на земле

"Бернард Линч стал первым испытателем катапультируемого кресла. Сначала кресло поднялось на высоту 1,42 м. В трех последующих тестах сила заряда пиропатрона поступательно увеличивалась. При достижении высоты подъема в 3 метра Линч пожаловался на очень неприятные физические ощущения от катапультирования", - говорится в исторической справке компании.

Удар по позвоночнику

Линч почувствовал боль в спине, испытав перегрузку всего в 4 g (перегрузка в 1 g - это вес тела, покоящегося в поле тяжести Земли - Ред.) Мартин начал изучать строение человеческого позвоночника, чтобы попытаться понять ограничения организма, которые необходимо учитывать при разработке катапультируемых кресел. Он даже посещал больницы и наблюдал за хирургическими операциями. Шармэн пишет, что секретарша Мартина как-то пришла в ужас, получив предназначенную для босса посылку с фрагментами человеческого позвоночника, которую прислал его знакомый хирург.

Первые катапультируемые кресла, которые выстреливали летчика при помощи одного или двух пиропатронов, оказывали чрезвычайно высокую нагрузку на позвоночник. У современных кресел британской, американской и российской разработки испытываемые летчиком вертикальные перегрузки снижаются за счет того, что мощности стреляющего механизма хватает лишь на то, чтобы отправить кресло вверх по безопасной траектории, избегая столкновения с вертикальным стабилизатором. После этого включаются ракетные двигатели и поднимают кресло дополнительно на 60 метров вверх.

Капитан британских ВВС в отставке Крейг Пенрайс, член Королевского воздухоплавательного общества и специалист по катапультируемым системам, знает по опыту, что так было не всегда. В 2003 г. он перегонял истребитель 1950-х годов Hawker Hunter с авиашоу в североирландском городе Портраш. Над побережьем Уэльса одновременно вышли из строя единственный двигатель самолета и бортовая электросистема. Пенрайсу пришлось катапультироваться - во второй раз за летную карьеру. "Последовал мощный хлопок, и я почувствовал очень сильный толчок в пятую точку. Боль в спине была такой острой, как будто меня со всей силы ударили деревянной доской", - вспоминает он.

Перегрузки при катапультировании привели к взрывному перелому позвонка. Обломки кости вошли в спинной мозг Пенрайса, который какое-то время оставался парализованным от пояса и ниже. "Я до сих пор не до конца оправился от той травмы", - говорит он.

Катапультируемое кресло, установленное на истребителе Hunter 1956 г. постройки, было изготовлено еще до того, как подобные системы стали снабжать ракетными двигателями. Единственным источником энергии у него был пиропатрон. "Принцип действия такого кресла заключается в том, чтобы выбросить летчика из кабины на безопасное расстояние от хвостового оперения за счет одного лишь выстрела пиропатрона. Мощность стреляющего механизма современных кресел гораздо меньше, поскольку в процессе катапультирования участвуют и ракетные двигатели, придающие креслу постепенно возрастающее ускорение", - говорит Пенрайс.

Британский Отдел по расследованиям авиационных происшествий подтверждает эти наблюдения по поводу кресел, снабженных лишь пиропатронами: "Вследствие конструкционных особенностей таких систем их применение оказывает несколько более жесткое воздействие на организм, чем применение кресел с ракетными двигателями".

Автоматизированный процесс

Еще одним фактором, способным привести к травмам, является положение самолета и летчика в момент катапультирования. Летом 1966 г. британский морской летчик Дэвид Иглз совершал вылет с борта авианосца "Викториус". Сразу после отрыва от палубы его двухместный штурмовик Blackburn Buccaneer задрал нос и начал терять скорость. "Я приказал сидевшему сзади штурману покинуть машину, а затем катапультировался сам", - вспоминает он.

Правообладатель иллюстрации USAF
Image caption Конечности летчика фиксируются, чтобы избежать переломов, вызванных воздействием набегающего потока воздуха

"Я почувствовал резкий толчок в спину. Все продолжалось считанные секунды. Я сломал три позвонка и несколько месяцев провел на больничной койке". И это несмотря на то, что кресло Иглза было снабжено ракетными двигателями. "Кресла старой конструкции дробили позвонки за милую душу. Нынешние системы с ракетными двигателями гораздо безопаснее в этом отношении", - говорит Иглз.

"Впоследствии Джимми Мартин написал мне — а он писал всем летчикам, которые катапультировались при помощи кресел Martin-Baker, — что моя травма, возможно, была вызвана тем, что в момент катапультирования мое туловище было наклонено в сторону. Теряющий скорость самолет стал заваливаться на бок. Видимо, это дало дополнительную нагрузку на позвоночник перед катапультированием".

Современные катапультируемые кресла обеспечивают покидание самолета при нулевой высоте на нулевой скорости, говорит подполковник ВВС Великобритании Мэтью Льюис, специалист по расследованию авиационных происшествий в Центре авиационной медицины ВВС на авиабазе Хенлоу в графстве Бедфордшир. Иными словами, летчик может спастись, набрав достаточную для раскрытия парашюта высоту, даже если самолет неподвижно стоит на стоянке или на взлетной полосе.

Что же происходит после того, как летчик потянул за рычажки (они же держки) катапультируемого кресла, расположенные над головой, между ног или по одну или обе стороны от бедер? Весь процесс полностью автоматизирован. При верхнем расположении держек катапульты в некоторых системах на лицо летчика опускается изобретенный Мартином защитный экран из ткани, чтобы зафиксировать голову и шею в правильном положении и защитить лицо от набегающего потока воздуха.

По словам Льюиса, существуют три алгоритма взаимодействия катапультируемого кресла с фонарем кабины: "Фонарь может отстреливаться целиком при помощи небольших зарядов, расположенных по периметру. В других системах в остекление встроен извивающийся взрывчатый шнур, который разбивает фонарь, а осколки сдувает набегающим потоком. Наконец, можно катапультироваться сквозь остекление - заголовник кресла снабжен двумя штырями, которые разбивают фонарь при выходе кресла из кабины".

"Однако при катапультировании через остекление фонаря существует риск получения травмы, поэтому в британских ВВС этот метод не используется в качестве основного".

Опасность набегающего потока

При активации стреляющего механизма летчик в течение примерно 0,15 секунды испытывает перегрузку в 12-15 g. Затем включаются ракетные двигатели. В этот момент раскрывается небольшой стабилизирующий парашют диаметром 1,5 метра. Если, например, катапультирование происходит на высоте 12 км, окружающий воздух слишком разрежен для того, чтобы наполнить основной парашют. В результате парашют может спутаться. Поэтому кресло снабжено баростатом (датчиком давления), который дает стабилизирующему парашюту команду вытянуть основной купол только после достижения высоты в 3 км.

Все это происходит автоматически. "Катапультирование — очень скоротечный процесс. Между вытягиванием держек и наполнением основного купола проходит от силы 2,5-3 секунды, в зависимости от типа кресла, - говорит Льюис. - Набегающий поток очень опасен для летчика. Высуньте руку из окна автомобиля на скорости 110 км/ч, и вы почувствуете некоторое сопротивление воздуха. На скорости в 1110 км/ч это сопротивление будет гораздо сильнее".

Правообладатель иллюстрации Getty Images
Image caption Катапультируемые кресла спасли тысячи человеческих жизней

Современные катапультируемые кресла снабжены фиксаторами, автоматически притягивающими ноги и предотвращающими их разбрасывание воздушным потоком при выходе из кабины. Фиксацию рук у торса обеспечивает механизм, встроенный в высотно-компенсирующий костюм летчика, говорит Льюис.

Еще один фактор риска связан с тем, что современные летные шлемы оборудуются специальными устройствами, такими как нашлемные целеуказатели и приборы ночного видения. Дополнительный вес на голове летчика может привести к травмам шеи под воздействием набегающего потока.

Будущее катапультируемых кресел

По словам Льюиса, 25-30% всех летчиков, прибегающих в наше время к катапультированию, получают травмы спины, вызванные ударным действием стреляющего механизма: "Как правило, у летчиков, пострадавших при катапультировании, наблюдается компрессионный перелом позвонков, при котором передняя часть позвоночной кости расплющивается, принимая форму клина. Впрочем, такого рода повреждения не мешают людям впоследствии возвращаться к летной службе".

Льюис признает, что современные катапультируемые кресла хорошо справляются со своей работой, но ему хотелось бы, чтобы они были способны спасать летчиков в более сложных ситуациях: "Например, при катапультировании на высоте 6 метров из самолета, перевернутого кабиной вниз, вы разобьетесь. Было бы неплохо, если бы кресла были оборудованы ракетными двигателями с изменяемым вектором тяги, которые сначала обеспечивали бы горизонтальное ускорение вбок от самолета, а затем поднимали летчика на высоту, достаточную для раскрытия парашюта".

Расположенная в Колорадо-Спрингз компания UTC Aerospace Systems,– американский конкурент Martin-Baker – разрабатывает "умные" ракетные двигатели для своего новейшего катапультируемого кресла Aces 5. Производимая двигателями тяга будет зависеть от массы летчика. Более легким женщинам для безопасного катапультирования не нужна мощность двигателей, рассчитанная на мужчин. Новое кресло будет само рассчитывать и варьировать тягу.

Авиаторы будут только приветствовать любые усовершенствования систем спасения, но они благодарны изобретателям уже за то, что существуют в их нынешнем виде.

"Я принадлежу к группе из примерно 160 летчиков, которым довелось катапультироваться дважды, и считаю, что мне очень повезло, - говорит Пенрайс.- Если бы не кресло, меня бы сейчас просто не было на свете".

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Новости по теме