梯吊组合式飞行员遇险救护装置的设计
2021-08-27殷东辰施维茹温冬青于立华吴建兵王桂友薛利豪韩学平
张 岩，殷东辰*，施维茹，温冬青，于立华，吴建兵，王桂友，薛利豪，顾 昭，杨 光，韩学平
（1.空军特色医学中心，北京100142；2.长春奥普光电技术股份有限公司，长春130033）
0 引言
救护飞行员快速脱离遇险飞机座舱的相关设备、器材的研制一直受到航空兵部队卫生机构的关注[1]。相关飞行事故资料分析显示，机场内飞行事故发生率约占飞行事故的50%[2-4]。因此，研制操作简便、适用性强的飞行员遇险救护装置，协助飞行员快速脱离遇险飞机座舱是不可忽视的问题。目前，飞行员遇险救护装置主要包括组合式救护梯、挂车式飞行员遇险救护设备和飞机抢救车3种[3-6]。这些装置在可靠性、便携性、勤务适应性等方面各有其特点，但也存在一些问题，如组合式救护梯吊救受伤飞行员出舱的角度和高度不够，需要救护人员协助搭拽出舱，且没有保护背板，可能在施救过程中对受伤飞行员的脊柱造成二次伤害；挂车式飞行员遇险救护设备采用手工操作，固定防侧翻支腿、抽拉三节吊杆、转动绞盘等操作相对复杂，使用不便；飞机抢救车选用SX2190NF汽车底盘进行改装，装备造价高、结构复杂、操作难度大，需要专业人员操作。因此，需要针对我国机场应急救护特点开展研究，机场应急救护也应逐渐走向技术化、标准化和规范化[7]。为满足部队需要，切实解决飞行员快速脱离遇险飞机座舱的需要，本研究设计了梯吊组合式飞行员遇险救护装置，将强度、质量适宜的碳纤维和铝合金相结合作为主要材料，满足便携和强度的勤务要求；采用副梯上下抽拉、侧梯左右移动、吊杆相对固定的设计，满足快速展收、有效吊救的要求；使用副梯钩挂飞机座舱外缘方式，满足吊救过程的安全性要求。
1 设计原则
1.1 适用条件
适用于各型战斗机迫降后，在打开或破拆飞机座舱盖的前提下，用最短的时间协助受伤飞行员脱离遇险飞机座舱，并送入救护车。
救护装置主要用于遇险飞行员昏迷或无法自主行动时的救援。受限于机场保障条件，本装置设计为无动力操作方式，吊救劳动负荷较外接动力方式更大。因需要牢固稳定的支撑面，适合在机场范围内进行救援操作。
1.2 基本功能
救护装置平时置于外场救护车内，遇险时随救护车到达遇险飞机旁，在无动力条件下由3人操作快速展开，将受伤飞行员吊离遇险飞机座舱，并利用救护车内现有担架送入救护车。救护过程中可有效防止遇险飞行员的二次受伤。撤收后，本装置放回外场救护车内备用。
2 总体设计
救护装置采用可伸缩登机梯、柱式吊救系统和保护背板为一体的梯吊组合式结构（如图1、2所示）。展开高度2 500～3 700 mm可调，收拢尺寸2 100 mm×600 mm×300 mm，可在外场救护车内存放（如图3所示）。救护装置质量为29 kg，主要由伸缩梯、吊救系统、保护背板、支撑防滑垫、可调防滑垫、挂钩以及绞盘7个部分组成。
图1 梯吊组合式飞行员遇险救护装置展开图
图3 梯吊组合式飞行员遇险救护装置收拢状态示意图（单位：mm）
2.1 伸缩梯的设计
伸缩梯主体材料选择铝合金和碳纤维材料，由主梯、伸缩副梯、侧梯（2个）、外置弹簧定位装置、绞盘固定座组成（如图4所示）。整体承重大于300 kg。
图4 伸缩梯主梯结构示意图
主梯采用槽铝结构，质量轻、强度高。伸缩副梯和侧梯采用碳纤维材质，具有质轻坚固、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦等特点[8]，可以满足救护装置质量和强度要求。在侧梯上加装吊杆用于吊救飞行员。外置弹簧定位装置用于伸缩梯不同尺寸的定位，能够直接目视定位，方便快捷。收拢后伸缩梯尺寸满足外场救护车内存放要求。
图2 梯吊组合式飞行员遇险救护装置外形图（单位：mm）
2.2 吊救系统
吊救系统加装于侧梯2顶端，主要功能是将受伤飞行员由座舱内吊救至座舱边缘，主要由吊臂、吊杆、斜支撑、底座、滑轮以及内部棘轮组成（如图5所示），主体采用碳纤维复合材料及铝合金材料。吊杆展开高度约1 300 mm，吊臂长度≥300 mm，起吊质量≥100 kg，吊钩距座舱边缘的距离≥1 200 mm，满足吊救受伤飞行员出舱的高度要求。
图5 吊救系统结构示意图
2.3 保护背板
保护背板主要用于遇险飞行员吊救出舱过程中固定并保护颈椎、脊椎，防止遇险飞行员二次受伤。保护背板采用碳纤维复合材料，背部设防脱轨道以保证保护背板在主梯内滑动不会脱离。背板两侧分别设置头、肩、腰部固定带，腋下和臀部设置吊带（如图6所示）。使用时，操作人员将保护背板从座椅和飞行员背部插入，用头、肩、腰固定带对飞行员进行固定。腋下吊带和臀部吊带用于起吊飞行员，吊带上设计有挂钩，可以与吊救系统即钢绳上的挂钩连接，方便起吊飞行员。
图6 保护背板示意图
2.4 防滑垫
防滑垫固定于救护装置最下端，采用型材加橡胶结构。防滑垫具有增大与地面摩擦功能，以保障救护过程的稳定性；还具有高度调节功能，调节高度约40 mm。
2.5 绞盘
绞盘固定在主梯左侧，通过绞盘带动钢绳、挂钩将飞行员吊救出舱。绞盘内部采用齿轮结构设计，以增大救护人员输出扭矩，实现快速吊起飞行员。绞盘横向牵引500 kg，垂直吊重150 kg，传动比为4.2∶1，绳索采用钢丝材质。
3 力学分析
3.1 结构强度分析
根据技术要求，救护装置展开最大高度为3700mm，吊救系统模拟起吊150 kg重物，伸缩梯模拟承重300 kg。通过NX12.0进行有限元仿真分析。根据分析结果，节点最大应力为588.24 MPa（如图7所示），超过碳纤维复合材料7075-T6的屈服强度（505 MPa）。经分析，模型节点最大应力是由于模型缺少圆角导致的应力集中，所以将模型改进，增加圆角，结果最大应力为396.39 MPa（如图8所示），小于碳纤维复合材料7075-T6的屈服强度。在工作状态下模型应力小于材料的屈服强度，所产生的形变属于线弹性形变，整体结构不会被破坏。
图7 改进结构前模型
图8 改进结构后模型
3.2 极限承重分析
以2名救护人员及遇险飞行员同时在救护装置一侧的极限工作状态，通过NX12.0对救护装置展开最大高度下450 kg承重进行仿真分析，结果最大应力为322.67 MPa，小于碳纤维复合材料7075-T6的屈服强度（505 MPa），救护装置安全。应力结果图如图9所示。
图9 极限承重分析应力结果图
3.3 侧翻稳定性分析
救护装置的工作状态主要包括0°工作状态和吊救出舱时的90°工作状态，如图10、11所示。在0°工作状态即飞行员起吊过程中，重力G1为飞行员质量，重力G2和G3为2名救援人员质量，其中G2+G3>G1，起吊力臂L1
图10 0°工作状态图
图11 90°工作状态图
3.4 关键点的应力校核
3.4.1 销轴跟部应力
吊救系统与伸缩梯采用40Cr销轴连接，应力集中点发生在销轴根部位置。根据仿真分析结果，销轴根部应力为432 MPa。40Cr材料屈服强度为785 MPa，剪切强度为800 MPa，销轴根部应力均小于40Cr材料屈服强度和剪切强度，销轴连接处在吊救过程中安全。
3.4.2 支座应力
吊救系统加装在侧梯上，其关键部件是支座。在吊救系统起吊150 kg重物时，根据仿真结果在支座处应力最大为337.28 MPa。支座采用7075T6材料，屈服强度为505 MPa，在实施吊救过程中支座应力为337.28 MPa<505 MPa，吊救系统不会被破坏。
4 改进设计分析
4.1 登机梯的改进设计
对遇险飞行员实施救护，首先是借助有效装置实现救护人员快速靠近座舱。2003年张国民等[5]研制的遇险急救设备采用梯子、吊救、担架为一体结构，梯子由主梯、副梯和侧梯组成，自制的担架嵌入梯子槽内，施救时将受伤飞行员从座舱拽出放到担架上并固定，然后从梯子上滑下。其主要问题是在应用于座舱高度较高的飞机时，由于跨度大，梯子变形明显；且整体质量偏大，不便于携行。2008年韩学平等[3]研制的专用救护设备配备了2架竹节梯，主要用于救护人员从飞机座舱两侧登机，实施飞行员保护背板的固定和起吊的连接，飞行员出舱由吊车完成。该救护设备整体为挂车设计，携行受限且操作过程复杂。本研究将强度、质量适宜的碳纤维和铝合金作为救护装置的主要材料，质量控制在30 kg以内，满足便携和强度要求。采用副梯上下抽拉、侧梯左右移动结构，使用碳纤维挂钩将副梯钩挂飞机座舱外缘的方式，解决了登梯时梯子变形较大问题，确保了吊救过程的安全性。整体结构设计既满足快速展收，又满足收拢后可放置在外场救护车内的要求。
4.2 吊救系统改进设计
飞机座舱空间狭小，救护人员站在梯子上或座舱边缘很难将伤势较重或昏迷飞行员抬出座舱，因此，受伤飞行员快速脱离遇险飞机座舱是抢救的关键。2008年张若东等[6]研制的遇险急救设备采用在梯子一侧上端插入吊杆，使用时展开吊杆，吊杆顶端的吊钩与捆绑飞行员的吊带相连，转动梯子下端固定的绞盘将飞行员吊起协助其出舱。因吊救受伤飞行员出舱的角度和高度不够，只能在救护人员协助下搭拽飞行员出舱。2005年王正华等[9]研制的新型飞机飞行员应急离机装置采用三脚架式吊救系统吊救飞行员出舱，方法可行，但该装置操作复杂、便携性差。2007年由俊生等[10]研制的新型机场专用救护车采用救护人员乘坐吊篮形式吊救飞行员出舱，该车成本过高、无车辆编制且需要专业人员操作。2016年为解决舰载机遇险后飞行员抢救，王伟等[11]研制了飞行员快速离机与救护装备，采用升降平台加载电动吊臂吊救飞行员出舱，虽然解决了车辆编制问题，但同样存在成本高、操作复杂等问题。
综合分析上述装置，结构简单的梯、吊、担架结合的救护装置吊救过程不能有效防止飞行员二次受伤，车载吊救可有效防止飞行员二次受伤，但大多采用汽车加改装、拖车、升降机等，存在成本高、车辆编制难以解决以及操作复杂等问题。本救护装置采用梯子和吊杆结合形式，可以有效解决以上问题。
4.3 保护背板的改进设计
飞机迫降后，飞行员可能发生脊柱、颈椎、四肢骨折和软组织伤，重者可出现昏迷。为防止在抢救飞行员脱离座舱的过程中造成飞行员颈椎、脊柱的二次受伤必须配备硬质脊柱保护背板。以往的飞行员遇险救护装置中，除了2003年张国民等[5]研制的遇险急救设备没有保护背板外，其余多数采用玻璃钢脊柱保护背板。本装置改进设计使用碳纤维制成保护背板，在满足保护要求的前提下减轻了质量，便于携带。
5 作业流程
本救护装置平时放入外场救护车内，救护伤员时按照图12的流程操作。3名救护人员分别从救护车上快速携带本装置和担架（原救护车标配）到遇险飞机座舱一侧；展开登机梯，选择适宜高度并固定，打开伸缩副梯和侧梯，展开吊杆，调整绞盘，从主梯登机，将梯子上端与座舱边缘固定；利用保护背板在座舱内对受伤飞行员进行固定，并将4条吊带与吊钩相连，操作绞盘起吊飞行员放到主梯上滑下，最后放置在担架上送入救护车。
图12 救护作业流程
6 试用效果
完成样机研制后，利用自制的高度为3 700 mm的模拟座舱（如图1所示）进行功能性能验证。按照图12所示流程进行遇险飞行员救护操作，结果3名经过培训的救护人员能在规定的3 min内展开救护装置；伸缩梯能满足座舱高度要求；保护背板使用简便、快捷，在吊救系统协助下可将模拟遇险受伤飞行员吊离座舱。救护装置收拢后可放入外场救护车内。
从试用效果分析，本救护装置存在以下问题：（1）本装置虽满足单人携行的勤务要求，但总体结构显得单薄，整个救护过程梯子顶端挂钩必须牢固挂在飞机座舱边缘；（2）吊出飞行员后，背板很难控制在梯子凹槽内，需要救护人员协助缓慢向下移动；（3）本装置使用前必须进行培训，确保救护人员不仅熟练掌握使用要求，而且配合默契。
7 结语
梯吊组合式飞行员遇险救护装置采用梯吊结合形式，使用碳纤维和铝合金为主体材料，满足强度要求的情况下质量更轻，便于携行；展开高度满足高性能歼击机要求，吊杆、梯子、挂钩和座舱结合，既可防止登机梯跨度大承重时发生凹陷变形，又可增强吊救稳定性；吊救系统和保护背板的配合使用不仅为防止遇险飞行员二次受伤提供有效措施，而且可有效控制其出舱的速度和稳定性。另外，本救护装置在梯子和梯蹬连接处使用了螺栓固定，增加了对整体结构维护和保养的要求，因此，该产品在交付部队时，在产品使用说明书中需明确维护保养要求，并配备相应的固定螺栓和专用工具。
在实际试用过程中，本装置存在手摇吊救速度慢、支撑角度调整不方便的问题。下一步工作中，需考虑对绞盘内齿轮比例进行优化，或者改为可变速齿轮比，根据施救者力量和被救者体质量手动调整齿轮比以提高吊救速度；另外，需对支撑防滑垫的调整方式进行优化，以提高本装置的展开速度。
