问题

假如人乘坐超音速飞机时突然弹射出去,会不会在音障上面撞成碎片?

回答
这是一个非常有趣且令人担忧的场景!让我们来详细分析一下,如果一个人在超音速飞机上突然弹射出去,会发生什么。答案是:是的,很有可能在瞬间被撕裂成碎片,尤其是在穿过音障的那一瞬间。

要理解这一点,我们需要分解几个关键因素:

1. 音障是什么?

音障并非一个实体存在的“墙”,而是一个空气动力学现象。当飞机飞行速度接近或超过声速(大约1225公里/小时,取决于大气条件)时,空气分子无法及时从飞机前方移开。这会导致空气在飞机前方形成高压区域,并伴随着剧烈的空气扰动和冲击波。这就是我们常说的“音爆”。

2. 弹射过程中的巨大力量

弹射座椅的设计是为了以极快的速度将飞行员推离飞机,以躲避危险。这个过程会产生极高的加速度,远超人体能够承受的极限。瞬间的加速会将人体牢牢压在座椅上,但这种力量是向外的、向前的,而不是与飞行器同向。

3. 超音速飞行时的环境

在超音速飞行时,飞机的周围是极度压缩且高速流动的空气。这些空气分子以非常高的速度撞击飞机和任何暴露在外的物体。

让我们结合起来分析弹射的瞬间:

飞机仍在超音速飞行: 飞机以超过声速的速度前进,周围是极度压缩、高压、高速流动的空气。
弹射座椅启动: 弹射座椅会以极大的能量将人瞬间向前推出。这意味着人的身体会突然从一个相对“稳定”的超音速环境,被加速到一个更高的速度,或者至少是以一个巨大的初始速度被推离飞机。
穿越音障(如果弹射发生之前尚未穿越): 如果飞机在亚音速飞行时弹射,那么弹射出去的人将以非常高的速度冲向音障区域。
巨大的空气阻力: 当人的身体以超音速或接近超音速的速度撞击空气时,会遇到极其巨大的空气阻力。这股阻力不是平滑的推力,而是瞬间的冲击力,就如同撞上一堵无形的墙壁。
冲击波的压力: 穿越音障时产生的冲击波会产生巨大的气压变化。弹射出去的人体,尤其是在没有充分保护的情况下,会直接暴露在这些冲击波的极端压力下。
撕裂力: 身体各部分的受力是不均匀的。头部可能比身体其他部位先遇到压缩空气,而四肢则可能被拉扯。弹射座椅提供的向前的推力与瞬间遇到的巨大空气阻力、冲击波压力之间的差异,会导致人体内部和外部的组织承受巨大的剪切力和拉伸力。这些力量可以轻松地超过人体组织的极限强度。

弹射已经超过音障: 如果飞机已经超音速,弹射出去的人将直接进入一个高压、高速的空气环境中。
空气撞击: 人体就像一个迎面撞上高速飞行的物体的障碍物。空气分子的动量巨大,撞击在身体表面会产生巨大的冲击力。
空气动力学效应: 人体的形状并不像流线型的飞机。暴露在如此高速气流中,人体会经历极端的空气动力学载荷,产生巨大的拖曳力和升力(尽管升力在垂直方向上可能不是主要问题,但不对称的力会导致身体旋转和撕裂)。
温升效应: 高速穿过空气会产生摩擦和压缩,导致空气温度急剧升高(绝热压缩)。虽然可能不足以瞬间汽化,但对暴露的皮肤和组织会造成严重烧伤,并加剧撕裂过程。

总结来说,人体将承受以下几种致命的破坏力:

1. 瞬时加速度: 弹射本身提供的加速度就可能超出人体生理极限。
2. 巨大的空气阻力: 以超音速(或接近超音速)撞击空气,会产生远超人体结构的抗力。
3. 冲击波的压力: 穿越音障时的压力波会对身体造成瞬间的挤压和拉扯。
4. 剪切力和拉伸力: 身体不同部位受到的空气动力学载荷不一致,会导致内部组织和骨骼的撕裂。
5. 高速气流的磨损: 高速气流本身就具有磨损性,可以剥离皮肤和软组织。
6. 温度效应: 绝热压缩产生的温升会造成严重的烧伤。

最关键的一点是“瞬间”和“非保护”:弹射座椅虽然可以将人推出飞机,但它提供的只是一个初始速度和方向。一旦离开飞机,人就暴露在极端的环境中,没有任何保护。不像飞机有坚固的机身来抵御这些力量。

所以,一个人在超音速飞机上弹射出去,尤其是在穿越音障的那个时刻,其身体会受到巨大的、瞬间的、多方向的力量冲击。这些力量会远远超出人体的承受极限,导致身体在极短的时间内被撕裂成碎片。这是一种极其残酷和可怕的后果。

网友意见

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等待验证,在00- 03年某期《航空知识》杂志上,有一篇文章就是介绍毛子的飞行员在超音速飞行时,出现故障跳伞,只记得事故时的速度是2.6M,事故后降到2.4,高度大概也是2万多米,这几年想找这篇文章,一直没找到,看下有没有大神能检索到了。

更新下,找到了 ,《航空知识》2001年第02期,文章名叫做《同温层2.6马赫跳伞》,同温层2.6马赫跳伞豆丁上有,天涯也有,2.7马赫的极限空中弹射!!!_网上谈兵_论坛_天涯社区

《同温层2.6马赫跳伞》

 1999年11月,在阿联酋迪拜市举办的航展中流传着一则俄罗斯飞行员的故事。这个故事于18年前发生在高尔基城附近,此城现已改名为尼兹内·纳夫哥德市。这个故事的主人公是阿列克山大·康罗沃诺夫,那时他是米格飞机制造厂的试飞员。该工厂坐落在此城西部边沿,在莫斯科以东378公里处。

于康罗沃诺夫的一次跳伞遭遇,成为航展中令人刮目相看的人物。那件事发生在1981年8月一个晴朗的日子。康罗沃诺夫在那次试飞中,不得已作出了世界上飞行速度最快的救生弹射跳伞。


  在2.7马赫遇险


    当时,阿列克山大·康罗沃诺夫是俄罗斯试飞员学校的毕业生,作为战斗机驾驶员服役于苏联空军,他的履历表中记载着有1000多小时的飞行时间。


  米格-25教练机正在进行弹射跳伞试验


    这一天,他的任务是进行米格-25R“狐蝠”B与发动机有关的空中试验,在高度为18000米以上进行从2.4马赫到2.7马赫的加速度检验。这是一次关系重大的飞行,是在飞机大修之后进行的。



    康罗沃诺夫对飞机进行了认真的检查,在完成了飞行前的座舱检查和滑行检查之后,对准跑道中线,打开两台巨大的R-15BD-300喷气发动机的加力,这时每台发动机产生的推力为11200公斤。只见米格-25战斗机轰隆隆地离开了跑道,特有的耀眼的紫蓝色辉光,照亮了喷气发动机的尾喷口,从高尔基城爬升上去。


    当康罗沃诺夫专心致志地以超过2倍音速的速度飞到特定的空域时,他又仔细默想了一遍试验计划。此时飞机处在城南的一个区域内,并且已达到18000米的规定高度,他准备开始向2.7马赫加速,在开始加速之前,他首先把速度稳定在2.4马赫,然后开始加速。在加速过程中,飞机又升高了,已达到18600米的高度,这也是他驾驶该机的最后高度,此时飞机的马赫数刚好是2.7。紧接着,康罗沃诺夫突然模糊地听到从机身左边传来“砰”的一声,正如他后来描述的,那声音很象“一块大木料掉到路上。”同时,座舱里红色告警灯闪亮,使他的注意力投向中央信号盘和发生问题的位置。


  在2.6马赫弹射

    发动机突然发生爆炸,使得飞机猛烈地向左偏航,此时飞机正处在18593米高空稀薄的空气中,飞机开始失去控制地翻滚。由于全部控制导线已被撕碎的金属流割断,不能再控制“狐蝠”飞机,康罗沃诺夫知道他只有按微秒计算的时间来抛弃被毁坏的飞机。飞机故障的原因,后来查明是由于涡轮叶片脱落所致。

    这时左发动机从机架脱离,飞机也开始破裂。他与大过载作搏斗,拼命用右手拉KM-1M弹射座椅。他被立即从加压座舱里弹了出来,进入接近真空的同温层。实际上,在他弹跳出飞机之前,由于发动机的爆炸,飞机已翻了3个筋斗,从18600米高度降到18000米,速度从2.7马赫减慢到2.6马赫。康罗沃诺夫是在飞机翻第3个筋斗之后,才弹跳离开座舱的。他看到已经瓦解了的飞机以2700公里/小时坠落飞行。至此,他成为有史以来第一位、也是唯一的在大大超过2倍音速时弹射跳伞的飞行员。这不仅是世界上已知的飞得最快的跳伞,也比有记录的高空跳伞要高。1956年4月,约翰和鲁耶从澳大利亚首都堪培拉在17068米高空创造过高空跳伞记录。

  生死关头的3秒钟

    康罗沃诺夫从开始发现发动机爆炸,到跳伞的整个过程,时间不超过3秒钟。实际上,以前对此事件唯一的报道是在1982年12月24日《真理报》上,标题是“3秒钟”。此文按前苏联惯例,不提供任何具体资料,不涉及飞机机型、也不知道事情发生在何时何处。它完全掩盖了如此高的高度和如此快的速度跳伞的事实。

    前苏联空军和政府认为,这件事属于国家秘密。所以这个惊人的故事一直无人谈起,直到美国《空军》月刊记者在1999年11月在迪拜航展遇到阿列克山大·康罗沃诺夫时,才得以证实。这还要感谢他的同行维塔内·西里瓦诺夫,他也是一位试飞员。西里瓦诺夫说,KM-1M座椅在康罗沃诺夫事件之后不久,才被批准用于速度1.8马赫的试验。在那之前,此座椅在航空试验中,不能在1.8马赫条件下工作。但米格制造厂的工程师们始终坚持试验,以使座椅能力与米格-25的性能密切配合。这种坚持显然有回报,但没有人会想到它会遇到这样苛刻的试验。

同温层2.6马赫跳伞成功的原因

    除此之外,还有许多其它因素对康罗沃诺夫在极端条件下跳伞成功起了用。首先,是他的飞行服装适合于高空飞行,他戴了GSN-6压力头盔,穿了一套VKK-6局部压力飞行服,还有专用的目镜和长筒靴,它们都为康罗沃诺夫提供了长时间坐在弹射座椅上防寒冷的保护。这个全套设备,简称为KKO-5或氧气设备组件。另外,在康罗沃诺夫从同温层的下降过程中,大部分是处于-56.5°C的同温层温度,直到进入大约11000米的对流层时,那里的温度才逐渐恢复到地面环境水平。

    第二,由于康罗沃诺夫身材瘦小,几乎像孩子一样,所以弹射中在座椅轮廓内可得到很好的保护,因为KM-1M大型座椅本身具有腿部保护装置,手与肘部保护臂,结合网状物和限制腿等保护系统。

    第三,在18000米高度的稀薄大气中,强气流作用比在较低高度小得多。康罗沃诺夫在开始接触气流时,全压式头盔密封结合飞行服,比起用氧气面罩把脸撕坏的风险要小。

   然而,KM-1M系列座椅没有安装前导流板,而后来的K-36座椅做了改进,安装了前导流板。KM-1M的最大标准工作速度,实际上只有1200公里/小时,比康罗沃诺夫出事时经受的速度小得多。

    另外,该座椅具有KSM-M两次点火机构。这能限制在弹射过程中的过载不超过20g,对他也是一种保护。当康罗沃诺夫从飞机中弹射出来时,首先要承受这么大的过载,这个过载作用于他垂直坐着的位置,可从头作用到脊椎骨底部。

  自由降落

   一旦座舱盖在开始弹射时被抛掉,VKK-6飞行服的外衬和内胆会瞬即充氮膨胀。根据VKK压力服输送管道的设计,膨胀的气体会挤压飞行员的躯体和四肢,以补偿飞行员体内器官和体腔膨胀。康罗沃诺夫的肺部,在弹射前是处在座舱环境压力下,如果没有VKK飞行服和压力头盔的保护,当抛去座舱盖时,在座舱极为迅速减压的瞬间,可立即膨胀到原来体积的3倍到4倍。

    在这样的跳伞高度,通常在几秒钟内就会致人死命。这个跳伞高度也非常接近所谓的阿姆斯特朗线(ArmstrongsLine)。达到这一界限,未受保护的人体,血液会沸腾。KKO-5氧气设备组件,能在高空形成飞行员个人的小环境或压力舱,使飞行员幸存,即使在当时那种人体生理上无法存活的空间。弹射座椅由第一级减速伞减速到第二级降落伞张开,这一过程历时1.5秒钟。在第二级减速伞张开后,康罗沃诺夫知道在预定与座椅分离、主降落伞在3000米高度张开之前,他将要面对大约15000米的自由降落。

  保护天使

    关于弹射过程,康罗沃诺夫只记得座舱盖被气流吹离飞机,然后他自己猛地也被抛出座舱。当他向后靠在弹射座椅上时,他被相对寂静包围着,只听到头盔氧气设备轻柔的咝咝声。他为安然无恙而庆幸

    康罗沃诺夫抬头向深蓝的天空看去,惊奇地发现了由弹射座椅火箭发动机产生的心状烟迹;在他的下面,解体的米格-25飞机迅速坠下,逐渐被淹没在田野里。这一天,大地沐浴在8月明亮的阳光中。又过了一会儿,他下降进入了稍许温暖的空气中,他的压力头盔的面部护镜开始从模糊中清晰起来。他开始担心他和座椅能否按预期的方式分离,主降落伞能否在3000米的预定高度张开。然而,他的担心是多余的,座椅气压分离机构在规定的高度顺利地工作了。座椅掉下去后,主降落伞完美地打开,然后,他打开头盔护目镜,呼吸着新鲜空气。他无控制地顺风飘动,最后降落在丘陵起伏的田野里。在那里,他躺了几秒钟,不相信自己奇特的漂泊已经过去。然后,他站起来向他的降落伞鞠了一躬,并说:“谢谢你。”


    康罗沃诺夫在这次惊险事故之后的一个月内,又回到了飞机上,继续他的试飞员职业,仍然为各国用户进行飞机交付后的试验飞行。这位文静谦虚的飞行员,的确是20世纪航空界的无名英雄,也值得被列入世界试飞员名人的行列。

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音障并不是一面墙,所以也不会像题主想象的一样在一堵墙上撞碎了。尽管如此,结果也并好不到哪去。但是确实有航空先驱考虑了题主提出的这个问题,下面介绍。

一般需要超音速飞行的飞行器都被设计的,机鼻(火箭也一样,但是这就拿飞机举例子了)拉出第一道斜激波,把后面的机身全都包裹进去,就避免机身其它部位再承受一次。(这样做当然还有别的好处)

但是因为超音速飞行所以会产生强大的激波,人体显然并没有经过超音速空气动力学优化,人的鼻子尖(或者天灵盖,取决于被弹出时的体位)大概率是无法像超音速飞行器一样拉出一道相对弱的斜激波把身体都包进去的。

所以,这位不幸的乘客,应该是直接用脸(或者其它最靠前的部位)拉出一道正激波,把超音速空气十分暴力地降到亚音速,就像下图这两个没有针对超音速飞行优化的物体在超音速流体中的表现(图中物体前面为弯曲的正激波,反正就是有的圆,但还是正激波了),皮肤所感受到的压力和温度都急剧升高,血肉之躯,显然是承受不住的,但是我感觉也不至于直接给撕扯成碎片,当然也取决于多快,如果20倍音速,那你首先得想办法加速到20倍音速,嗯。

而弹射座椅只是个座椅,并没有把人包起来,把人在超音速气流和极端环境中保护起来。但是飞行员同志有头盔啊。可在超音速气流面前这小头盔就跟玩具一样,身上的抗荷服也不是为了这个使用场景设计的。在这个情况下,穿不穿没啥区别。

显而易见,很多军用飞机可以超音速飞行,甚至几倍音速飞行。那高速出了事儿,飞行员也得逃生啊,所以这个世界上是存在(虽然十分罕见)超音速弹射座舱而不是座椅的。

美国康维尔公司的B-58超音速轰炸机,最高飞行速度达到了2马赫(就是2倍音速),它就装备了超音速逃生舱。

相比于来对比一下F-18的弹射座椅,这玩意是不是安全感强多了?其实飞机在超音速飞行时,通常高度也很高,弹射的飞行员不光要面对超音速气流还有超低温度和超低气压,哪一项都是致命的。

屁股会喷火的美国动用动力的F-111土豚战斗攻击机(这玩意也能算战斗机?)有个更奇怪的设计,它整个驾驶舱就是个逃生舱,情况不妙,驾驶舱直接走你了。

它这个喷的火其实是放油喷出来的,并不产生任何推力,至于产生额外推力的喷火:

战斗机在战斗的时候做出大量机动动作,即使是超音速也会很快把速度降到亚音速,高度也很难一直维持在很高,所以出现危机情况需要弹射的通常也都是在相对的低速低空。而且,如果被击中的时候速度太快了,在速度降下来一点了再弹就行了吧?毕竟加速不容易,减速还不容易么。

如果单纯为了追求高空高速弹射安全性,搞个巨大巨重的弹射座舱,飞机的迎风面积、飞行阻力会灾难性暴增,如果在战斗中失去优势,光是弹射厉害,打不赢也没啥卵用啊。

而弹射座椅这东西最难的还是在超低空,奇葩体位的弹射有效性。想象一下,飞机倒扣着贴着地面飞,飞行员弹射,固体火箭驱动弹射座椅把飞行员一下杵到地上了,这不是就悲剧了么。

弹射座椅上有很多精巧而又可靠的装置(固体火箭动力)来保持一个正确的姿态。

而直升机飞行员弹射的话被旋翼切成潮汕牛肉锅,这问题咋解决,就是另一个故事了。

(此处应有淘宝/京东战斗机弹射座椅带货链接)

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人当然可以在超音速弹射出去,还能在3马赫的SR-71黑鸟上弹射出去。

众所周知,sr-71没有被导弹击落过(但被击中过),但有12架sr-71因为各种问题坠毁,因此sr-71也弹射了12次。

能在3马赫下弹射的座椅

在1966年1月的一次试飞中,一架sr-71在3马赫的速度下一台发动机停车,试飞员重启多次失败后选择了弹射,当然他活了下来。

https://www.zhihu.com/video/1179445075129634816


其实也不是什么很难的事,sr-71在80000英尺的高度上飞行时空气非常稀薄,弹射时受到的空气阻力甚至小于驾驶一架T-38教练机在海平面以500英里每小时(800公里/小时)速度飞行时弹射受到的空气阻力。飞行员的防护服足以挡住空气摩擦生成的热量,也保证有足够的氧气。

为了弹射出去,你需要先拉一下两腿中间的D形环,在座舱盖被炸飞出去后,你和座椅才会飞出去。如果座舱盖没有飞出去,那么你也不会弹射出去。这时还有备用方法,拉一下座椅左边的T形把手,不管座舱盖有没有飞出去,你的座椅底下的助推火箭都会启动。

在拉完D形环后0.3秒,座舱盖会飞出去,压缩空气会把你弹射出座舱,随后座椅底下的火箭会工作0.5秒,把你推到离飞机300英尺(100米)的高度。随后一顶小降落伞会打开,防止座椅任意翻滚,10秒后小伞脱离,另一只降落伞打开开始帮助下降,从3马赫降到1马赫只需50秒,下降到15000英尺需要7分钟。下降到15000英尺后,你和座椅分离,在你背后的主降落伞打开,直到落到地面。

资料来源:

SR-71 - How to eject at Mach3 https://www.zhihu.com/video/1179445540482449408

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