Scaunul de catapultare (I)

  Scaunul de catapultare este un sistem destinat salvarii pilotului, sau a altor membrii ai echipajelor majoritatii avioanelor  militare,  in situatii de urgenta.

Scaunul este ejectat cu ajutorul unor incarcaturi pirotehnice si motoare racheta, dupa care se deschide parasuta de salvare.

Scurt istoric

Spre mandria noastra, inventatorul scaunului de catapultare este Anastase Dragomir (1896-1966), cel care a testat un astfel de sistem pe 25 august 1929 la Paris si in octombrie 1929 pe Baneasa.

Patentul sau a fost inregistrat sub numarul 678.566 la data de 2 aprilie 1930 (cu prioritatea patentarii datata 3 noiembrie 1928, cand a fost depusa cererea de brevetare), cu denumirea „Nouveaux system de montage des parachutes dans les appareils de locomotion”.

  „The modern layout for an ejection seat was first proposed by Romanian inventor Anastase Dragomir in the late 1920s. The design, featuring a parachuted cell (a dischargeable chair from an aircraft or other vehicle), was successfully tested on 25 August 1929 at the Paris-Orly Airport near Paris and in October 1929 at Băneasa, near Bucharest. Dragomir patented his „catapult-able cockpit” at the French Patent Office” citat Wikipedia ejection seat .

Conform statisticilor germane si americane  facute la sfarsitul anillor ’30 circa  40 % din cazurile de parasire a cabinei de catre piloti pentru a se salva, se soldau cu rani majore, iar 12.5 % cu deces.

Bineinteles, primii care au dezvoltat sisteme de catapultare operationale au fost nemtii.

Dezvoltarea lor a fost accelerata odata cu aparitia motoruluii cu reactie, iar prima abordare stiintifica a fost facuta de Institutul de medicina al Luftwaffe incepand cu 1939. Pe baza testelor s-a stabilit capacitatea corpului uman de a rezista la acceleratii de +20g pentru o perioada de pana la 0,1 s.

Primele incercari au fost facute cu sisteme actionate cu aer comprimat, care s-au dovedit a fi prea grele si dificil de exploatat.

Producatorul  Heinkel a realizat primele scaune de catapultare cu sisteme pirotehnice care au echipat spre sfarsitul anului 1943 toate noile avioanele de testare.

Schleudersitzaparat, cum il denumeau nemtii, era format dintr-o structura de scaun, montata pe patru role care glisau pe doua sine paralele. Sistemul pirotehnic consta in doua tuburi cu cate 30 g exploziv montate intr-un cilindru telescopic fixat de structura si scaun. Viteza la catapultare era de 10 m/s, cu o acceleratie maxima de 12g.

Pe data de 13 ianuarie 1942 este inregistrata oficial prima catapultare de la bordul unui avion cu reactie He 280, folosind un sistem cu aer comprimat, pilotul Schenck fiind astfel primul salvat de un astfel de sistem.

Se pare ca scaunul fusese testat anterior, cand a fost catapultat pilotul de incercare Busch. Pana la sfarsitul razboiului, nemtii au inregistrat circa 60 catapultari.

Progresele facute in pirotehnie au dus la abandonarea sistemelor cu aer comprimat, iar studiile in domeniul medical au definit limitarile ce trebuie impuse pentru catapultarea in siguranta.

Toate aceste progrese facute, au fost utile invingatorilor dupa razboi.

Tot in perioada razboiului, in mod independent de germani, suedezii de la SAAB, au realizat scaune de catapultare cu activare pirotehnica. Prima testare cu manechin a fost facuta in 8 ianuarie 1942, iar prima catapultare reala a avut loc pe data de 29 iulie 1946,

Englezii au facut primul test la aceeasi data, cand Bernard Lynch a catapultat dintr-un Meteor III la o viteza de 550 km/h si altitudine de 2800 m.

In 17 august 1946 sergentul american Larry Lambert a catapultat dintr-un P 61B la o viteza de 400 km/h si 2500 m in cadrul primului test .

Rusii au facut primul test in 24 iunie 1947, cand G Kondraschov a catapultat dintr-un Petlaykov Pe-2

Elemente de dinamica ale catapultarii

Catapultarea dintr-un avion este o secventa de etape violente,  in care corpul uman este supus la forte extreme.

Pentru a evalua cat mai corect fortele ce apar, se foloseste un sistem de referinta avand ca axa verticala coloana vertebrala a pilotului Gz cu sens pozitiv catre sus si negativ in jos.

In mod similar, perpendiculare sunt axele Gx (+in fata – in spate) si Gy lateral stanga si dreapta.

Forta la care este supus corpul este dependenta de acceleratie si masa. De obicei acceleratia este masurata in raport cu acceleratia gravitationala g= 9,81 m/s2.

Acceleratia este diferita in fiecare secventa a catapultarii.

Cum forta dezvoltata de sistemul pirotehnic este determinata prin proiectare, acceleratiile sunt dependente de masa scaunului complet echipat si a pilotului.

Masa scaunului este in jur de 65-90 kg, fiind diferita in functie de model, la care se adauga setul de supravietuire (cca 20 kg) si parasuta (cca 10 kg).

Masa pilotului este considerata incadrandu-se in 95% din cazuri intre 47  si 93 kg conform unor date statistice. Se adauga masa castii, costumul de zbor, aproape inca 14-20 kg,

Pentru o catapultare in siguranta este necesara corelarea acestor factori cu viteza si inaltimea de zbor, tinand cont de limitele fiziologice ale organismului uman.

Suplimentar, pozitia corpului si a membrelor este determinanta in micsorarea riscului de accidentare.

Un calcul important este si cel al altitudinii minime de catapultare, cand e nevoie si de cateva elemente de cinematica:

– altitudinea minima se refera doar la cazul zborului orizontal

– in caz de picaj, are loc o compunere a vitezelor scaunului si avionului

Astfel pentru un avion aflat in picaj cu 2400 m/min si echipat cu scaun de catapultare cu altitudine minima de 0 m, o regula simpla de calcul este urmatoarea :

– Altitudine minima de catapultare = altitudinea minima a scaunului + viteza de picaj/12 min =

0 m +2400/12= 200 m

Se considera ca timpul necesar este de 1/12 min= 5 s.

 

Limitari fiziologice

Forta de actionare a scaunului trebuie sa fie suficient de mare pentru a evita lovirea pilotului de deriva avionului avariat. Viteza necesara este de 10-20 m/s, fiind necesara o acceleratie mare, care nu poate depasi totusi limita de toleranta a corpului uman. Aceasta limita este considerata de 25g pentru o perioada de maxim 0.1 s si un gradient al acceleratiei de 300g/s.

Majoritatea scaunelor actuale actioneaza  in limite de maxim 20g si 240g/s, permitand incadrarea in parametrii de siguranta.

In timpul catapultarii sunt mai multe  faze in care poate sa apara ranirea pilotului :

– separarea/fragmentarea cupolei

   Catapultare prin cupola

 Catapultare cu largarea cupolei

– ejectarea scaunului la acceleratii mari

In aceasta faza apar forte foarte mari datorita acceleratiei  pe directie verticala a corpului, forte ce pot produce traumatisme ale coloanei. Un factor important este pozitia pilotului in momentul a catapultarii, o aplecare catre fata marind factorul de risc. Traumatismele apar de obicei la vertebrele din zona lombara, unde presiunea exercitata este maxima.

– expunerea la curentul de aer la viteze mari

In timpul catapultarii la viteze mari pot apare traumatisme la maini si picioare, acestea departandu-se de corp cu afectarea articulatiilor. Viteza limita consideranta de siguranta este de 650 km/h.

La viteze mai mari se pierd manusile, casca, bocancii si costumul de zbor.

 Teste la viteze mari

– decelerarea datorita rezistentei la inaintare

La iesirea scaunului din cabina corpul pilotului are practic viteza avionului, urmand o decelerare brusca. Se considera ca limite maxime de pana la 50g si 500g/s, pe directie orizontala, timp de 0,2 s,

Testele facute de celebrul colonel John Stapp, au fost de pana la 46.2g deceleratie orizontala.

A trait 89 de ani !!

– caderea libera

– deschiderea parasutei

– aterizarea

Cele mai frecvente raniri sunt in faza de ejectare, 25-30 % din piloti suferind traumatisme ale coloanei vertebrale.

Elemente constructive

Ma refer in general, fiecare tip de scaun avand particularitati specifice.

Structura scaunului de catapultare este formata din sezut, spatar si tetiera, la care se ataseaza diverse echipamente :

– cilindrul  telescopic de catapultare in care sunt amplasate cartuse pirotehnice pentru faza de iesire din cabina

– motorul racheta aflat la baza scaunului propulseaza scaunul pe traiectoria dorita, fiind actionat la finalul extensiei cilindrului telescopic, scaunul fiind partial iesit din carlinga

– sistemele de pozitionare pentru catapultare, aduc membrele si corpul in pozitia corecta de catapultare

– parasuta  de franare asigura stabilizarea initiala, iar cea principala asigura aterizarea lina

– parasuta principala

– echipamente de temporizare si control a altitudinii

– sistem de alimentare cu oxigen

Secventele catapultarii

1. Activarea catapultarii

Se face prin actionarea unei manete care poata fi amplasata lateral, in mijloc sau deasupra tetierei cand se trage si o protectie ce acopera fata pilotului

2. Largarea cupolei

Anterior inceperii catapultarii propriu-zise, este necesara largarea cupolei, care se poate face :

– dezavorare si ridicare pirotehnica, dupa care cupola este indepartata de curentii de aer

– distrugere prin explozie: in acest caz cupola are prevazute benzi cu exploziv  si  fragmentele rezultate sunt indepartate de curentii de aer

Aceste secvente pot fi initiate automat la actionarea manetei de catapultare, sau manual inainte de actionare maneta.

Exista si varianta catapultarii direct prin cupola, cand scaunul sparge plexiglasul cupolei

3. Pozitionarea pilotului

Sunt actionate mai multe mecanisme pirotehnice care retrag picioarele, mainile si strang centurile, pozitionand corpul pilotului in pozitia optima de catapultare pentru a evita traumele coloanei si ale membrelor.

4, Extractia scaunului din carlinga

La scaunele moderne catapultarea se face in doua secvente, prima fiind extractia din cabina. Aceasta se realizeaza prin cartusele pirotehnice care extind cilindrul telescopic, dupa care este actionat motorul racheta.

5. Deschiderea parasutei de franare

Aceasta mica parasuta se deschide cu scopul micsorarii vitezei scaunului. Este actionata tot pirotehnic, iar dupa un timp si la o altitudine preselectate, extrage parasuta principala,

6. Separarea pilotului de scaun

Dupa activarea parasutei prinicipale, un alt mecanism pirotehnic realizeaza separarea pilotului de scaun.

7. Deschiderea parasutei principale

Este contolata de un altimetru barostatic, pentru a nu fi deschisa la altitudini prea mari, unde este lipsa de oxigen.

8. Aterizarea

Desi pare cea mai simpla etapa, 90% din ranirile pilotilor  ce au avut o catapultare reusita  apare tocmai in aceasta etapa.

   Secventele si timpii de catapultare

Etape de dezvoltare

1. Prima generatie de scaune a fost de tip balistic, folosind simple cartuse ce actionau un cilindru telescopic, doar pentru extragerea pilotului din cabina.

Dupa extractie, pilotul trebuia sa comande manual toate secventele prezentate mai sus.

2.  A doua generatie de scaune a introdus folosirea motorului racheta pentru a doua secventa a catapultarii.

3. A treia generatie este caracterizata de folosirea senzorilor de viteza si altitudine, asigurand secvente diferite in functie de conditiile de zbor. Majoritatea scaunelor aflate in prezent in exploatare sunt din aceasta generatie.

4.  A patra generatie foloseste ca date de intrare caracteristicile de zbor intr-un procesor si permite ajustarea tractiunii motorului racheta functie de acestea, inclusiv prin elemente vectoriale.

Amanunte mai multe in episoadele urmatoare.

Grigore Leoveanu

Produse evoMAG.ro

7 Comments:

  1. Fain articol !

  2. În wikipedia francezà nici nu vorbesc de Anastase Dragomir (cu toate cà brevetul este francez si experimentul a fost fàcut pe un Farman la Orly).

    Si douà mici greseli de gramaticà si ortografie în intitularea brevetului. Corect :
    „Nouveau système de montage des parachutes dans les appareils de locomotion aérienne”

    • Toate scuzele pentru francezi, oricum e bine ca anglofonii il recunosc. Daca in Romania s-ar face un sondaj despre cel mai cunoscut roman cu numele Dragomir, Mitica cu liga sa, ar castiga detasat.

  3. ceva drepturi de autor?…slabe sanse.

  4. Foarte bun articol. În realitate acest mijloc tehnic oferă o șansă pilotului. O șansă, nu toate șansele!

  5. panla la performatele 0 inaltime-0 viteza s-a platit un tribut de sange infiorator.numai vorbesc de pilotii mutilati pe viata de scaun sau carlinga.
    trist din pacate dar probabil asta este pretul dezvoltarii tehnologice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *