直升机水下逃生训练装置研究进展

刘 伟，崔 嘉，张 毅

（海军航空大学，山东烟台 264001）

0 引言

直升机是常见的海上人员运输平台。据统计，2009—2013年间，仅墨西哥湾就有2307193名乘员通过直升机进行海上运输[1]。与此同时，因飞行员失误、恶劣天气、机械故障[2]等原因造成的直升机海上事故也时有发生。2000—2012年间全球共发生98起直升机海上坠机事件，造成159人遇难，人员存活率仅为67．28%[3]。当直升机在水上发生坠机事故时，直升机的质心位置在下沉过程中不断变化，极易发生翻转[4]，使人迷失方向。据统计，2000—2014年间发生的106起直升机海上坠机事故中，101起事故（占95%）的直升机在坠海不久后发生翻转沉没[5]。另外机上人员还会面临其他难以预料的险情，如直升机坠水时的瞬间冲击力、落水人员在水中视力受损、无法及时打开应急出口、水中憋气能力差以及入水后的恐惧心理[6]等，这些因素都可能导致机上人员无法及时逃出直升机机舱，从而直接溺亡[7]。

为解决直升机落水人员的逃生问题，提高其生存概率，许多行业机构和军事组织要求海上飞行人员上岗前需接受直升机水下逃生训练（helicopter underwater escape training，HUET）。据美国海军安全中心调查，没有接受过HUET培训的人员在直升机坠水事故中的死亡率高达27%，而接受过HUET培训的人员死亡率则为8%左右[8]，由此可见，HUET对提升直升机人员在应急状态下的自救能力、增强水下逃生信心、提高落水人员生存率方面具有重要作用[9]。目前，针对HUET的研究主要集中在HUET装置、HUET流程、乘员在水下的呼吸动作、HUET相关制度等方面，其中以HUET装置的研究最为集中。鉴于此，本文就HUET装置的研究进展展开综述，并结合目前存在的问题，对未来的研究方向进行展望。

1 国内外研究进展

1.1 国外HUET装置研究进展

自1912年发生第一起飞机水上迫降事件以来，美国海军便开始重视飞机落水后的人员自救问题[10]。1944年，工程师Kaneb为美国海军设计了第一个飞行员HUET装置Dilbert Dunker[11]（如图1所示）。Dilbert Dunker可以为单个飞行员提供座位，当装置入水时，会发生翻转，飞行员需要克服水的瞬时冲击力以及机舱翻转带来的方向迷失等困难从水下逃生，这是目前已知最早的HUET装置。但Dilbert Dunker装置只是针对单个飞行员训练，不涉及后舱人员，训练效率低，另外它不能像直升机一样横向转动。为了解决上述问题，1974年美国海军推出了HUET装置Burtech 9D5[12]（如图2所示）。Burtech 9D5训练舱不模拟任何特定的直升机，只是设置了通用的驾驶舱和后舱，一次最多可同时训练6名机组人员。

图1 第一个飞行员HUET装置Dilbert Dunker[11]

图2 HUET装置Burtech 9D5[12]

到20世纪80年代中期，随着海上石油和天然气工业的发展，HUET装置在民用领域变得越来越普遍。1986年Survial Systems有限公司建造了更先进的HUET模拟装置[13]（如图3所示），它可以模拟直升机失事坠海的全过程，实现模拟舱下降、入水、翻转、上浮等功能。除此以外，该装置还可以根据不同机型改变舱内结构，应用更为广泛。2008年芬兰Lambor Subsea公司生产了全姿态训练模拟装置MWH-6[14]（如图4所示）。MWH-6为球形结构，利用2个不同方向的转轴，可实现水平和垂直2个方向上的翻转运动。另外，其模拟器上方带有一个易断阀，可以在短时间内使机舱处于自由落体状态，从而更真实地模拟飞机撞击水面的过程，使训练效果更加理想。

图3 Survial Systems有限公司建造的HUET模拟装置[13]

图4 全姿态训练模拟装置MWH-6[14]

目前国外已经形成满足各类直升机使用的HUET装置以及专业的培训机构。自1984年以来，每年有3000～5000人参加加拿大Survial Systems有限公司组织的HUET培训[15]，相关HUET装置也得到广泛应用。2009年，一架载有18人的美洲狮直升机在纽芬兰外海发生事故，随即坠海，事故共造成17人死亡，仅1人在水中从机舱逃生成功[16]。事故发生后，专家开始针对机舱内的安全带、座椅、打开逃生出口的方式等方面进行针对性研究，为了提高训练效果，设计并生产了新一代高保真逃生训练装置[16]。2019年，SEFtec公司为卡塔尔特种部队生产了最先进的高保真逃生训练装置XO-139[17]（如图5所示），它精确复制了AW-139直升机的内部布局，每条逃生路线与实际飞机完全一致，出口、座位甚至天花板的高度都可以进行调整，以满足机型的内部特点，提高HUET模拟器的逼真度。

图5 高保真逃生训练装置XO-139[17]

1.2 国内HUET装置研究进展

相较于国外来说，我国对HUET装置的研究起步相对较晚。20世纪90年代初，我国开始进行直升机水上迫降问题的研究。张庆明[18]的研究指出，没有水上飘浮装置的直升机在打开舱门的情况下，10 s内就会充满水并下沉，因此飞行人员需要掌握正确的逃生方法以及穿着专用的设备。海军医学研究所[19-22]对直升机乘员水下逃生装备和逃生方案进行了系统研究，通过多次水下逃生试验，得出相关试验数据，并制定了《直升机乘员水下逃生规范》标准，规范了水下逃生装备、逃生基础知识、离机注意事项等内容。李全等[22]研究分析了HUET装置的现实需求，并针对直升机坠水过程提出了HUET装置的初步设计方案。

中海油已在天津市和湛江市建立了具备一定训练能力的水下逃生训练基地（如图6所示）[23]，设计并生产了能满足要求的HUET装置，形成了完整的训练流程，同时还将直升机遇险水下逃生训练纳入了《海洋石油安全管理细则》，规定参与海上飞行的人员必须参加HUET培训。2017年，熊伟等[24]仿照S-76C+救助直升机机舱自主研制了一种HUET装置，并对交通运输部救助飞行队的机组人员进行HUET培训，取得了良好的效果。2018年，王敬良等[25]从爱尔兰国家海事学院引进符合国际标准的HUET装置，并强化实训设备建设，设计了游泳池水温控制系统、模拟器训练移动吊车、造消波系统、雷电模拟系统等。

图6 中海油水下逃生训练基地[23]

虽然我国已开展多项HUET装置的研究与实践工作，能够生产出满足基本训练要求的水下逃生装置，但是目前符合国际标准的HUET装置还需从国外引进，我国装置的设计理念与国外相比还存在较大差距，产品的功能性、安全性还需进一步提高。

2 HUET装置关键部件

现阶段，围绕HUET装置的相关研究主要集中在以下几点：（1）研究训练模拟舱的结构，使其更易体现现役直升机的机型特点；（2）研究训练模拟舱的姿态控制部件，使其易于控制且能更真实反映直升机的坠水过程；（3）研究逃生出口，使落水人员能快速逃离沉没的机舱；（4）研究水下逃生灯，避免落水人员因方向感迷失无法逃离机舱；（5）研究水下呼吸器，延长落水人员的水下生存时间，避免溺亡的发生。

2.1 训练模拟舱结构

训练模拟舱是开展水下逃生训练的核心部件，其结构对逃生训练效果具有重要作用。目前训练模拟舱的结构主要有圆柱体结构（如Survial Systems有限公司制造的HUET模拟装置）、球形结构（如MWH-6）、长方体结构（如XO-139）等3种形式，其中长方体结构训练模拟舱如图7所示[26]。圆柱体结构是目前最常用的训练模拟舱结构形式，这种结构形式可以更加真实体现现役直升机的外形结构特点，其舱门、窗口布置、出口打开方式与现役机型最为相似。另外圆柱体结构可以更方便地布置外侧的翻转滑轨，并利用自身重力变化实现翻转运动，使模拟训练更为简单。

图7 长方体结构训练模拟舱[26]

2.2 训练模拟舱姿态控制部件

训练模拟舱坠水时，需要实现下沉、翻转、上浮等动作，其中最重要的是翻转运动。目前控制模拟舱翻转的方法有2种，一种是通过改变模拟舱的质量分布，使模拟舱的重心与旋转作用点不在同一个竖直平面上，从而产生一个力矩使模拟舱转动。以模拟器MWH-6为例，其底部存在4个压载水舱，利用控制器可以使水舱充水与放水。当模拟舱下沉时，上方固定吊点处开关设置为关闭状态，左边压载水舱为空载状态，右边压载水舱为满载状态，此时由于右侧压载水舱重力的存在，会产生一个顺时针的力矩，当模拟器MWH-6到达水面时，打开吊点处开关，此时模拟舱沿着顺时针方向旋转，原理图如图8（a）所示。当模拟舱到达一定水深位置，此时左边压载水舱为空载状态，在水中受到一个向上的浮力，继续驱动模拟舱按顺时针方向旋转，原理图如图8（b）所示。当模拟舱旋转180°时，关闭上方固定吊点处开关，模拟舱为倒立静止状态，此时受训人员便可从倒立的模拟舱中逃生。当模拟舱吊起时，模拟舱在重力作用下产生逆时针的力矩，使模拟舱逆时针旋转，回到初始状态后，关闭固定吊点开关[如图8（c）所示]。另一种控制方式为电动控制法，将模拟舱转动轴与外接电动机转轴相固定，通过控制电动机便可以实现模拟舱的下降、旋转等功能，完成直升机坠水过程的模拟。

图8 训练模拟器MWH-6内部舱室翻转运动原理图

目前世界各国已有33种以上不同类型的模拟舱，其中最常用的方式为配重法，即通过改变压载水舱状态或者增加配重块的方式改变重心位置，这种方式成本相对低廉，控制简单。

2.3 逃生出口

直升机失事坠水后，直升机乘员需要采取合适的逃生方式，快速打开座椅安全带，从正确的逃生出口逃离沉没的直升机机舱，以获取生存的可能，因此逃生出口成为影响水下快速逃生速度的主要因素。

直升机上的逃生出口可以是机舱门，也可以是窗户，但是对于不同的机型，逃生出口的位置、结构往往不同，因此推开出口所需的力也是不同的，需要对不同机型的逃生出口进行测试以确定能推开出口的最小受力位置。除此以外，人所处的位置以及推开出口的方式不同，推开逃生出口的难易程度也不同[27-28]，因此需要在训练过程中设计合适的逃生出口，并且要求打开逃生出口的方式必须简单，不需要费力，基于上述原因，大部分的直升机逃生出口都是“推出”式结构。

2.4 水下逃生灯

当直升机坠水时，极易翻转下沉，此时人处于黑暗、屏气、倒置的封闭环境中，没有任何视觉参考点，容易产生强烈的方向感迷失[29-30]，因此乘员在水下逃生过程中，需要掌握水下定向的方式。

目前常用的水下定向方式是在机舱内部设置一个指示方向的参考物，即水下逃生灯[31]。当直升机发生事故后，水下逃生灯可以自动启动，并闪烁发光，舱内人员沿着水下逃生灯指示方向找到安全出口，即可安全逃生。

2.5 水下呼吸器

一旦直升机坠水，一系列不利因素会对乘员生理产生很大的影响，如直升机突然坠入水中导致的应激反应，冷水灌入下沉的直升机带来的高压、寒冷，螺旋桨入水时产生的噪声，直升机快速坠水导致乘员呛水等[32]，这些因素都能导致乘员在水中淹溺，而不能成功从机舱中逃生。

坠水人员在水下的呼吸时间受水的深度、人员自身的紧张程度、呼吸动作的规范性以及所处位置海水的温度等诸多因素影响。坠水人员在不运动的状态下，在24℃水中，屏气时间大概为37 s[33]，并且寒冷的水下环境、坠水人员心理状态等因素使其在水下屏气时间减少[34]。而在直升机水下逃生过程中，坠水人员需要完成解脱、定向、打开出口等动作，没有充足的水下生存时间无法完成。因此设计可以用来延长水下生存时间的设备变得尤为重要。

图9为用于水下应急呼吸的逃生气瓶[35]，它可以提供42.5 L的压缩空气，这些空气可以使人在水下缓慢呼吸2 min（大约呼吸21次）。当直升机发生坠水事故后，舱内人员可以在水下使用逃生气瓶，延长坠水人员在水下的存活时间，同时使坠水人员保持镇定，更易找到逃生的出口，大大增加了水下逃生概率[36]。

图9 逃生气瓶及其佩戴方式示意图[35]

3 问题与展望

近年来，直升机的安全问题越来越受到重视，HUET已成为从事海上飞行人员的必修科目。但直升机水下逃生受到多种因素影响，如机舱状态、座椅、出口等[37-38]，因此需要研究并设计更为有效的HUET装置，提高受训人员落水后的应急处置能力。随着HUET装置研究的不断深入，仍然存在着一些值得关注的问题。

（1）不同机型的直升机，其舱门的位置、尺寸、打开方式，座椅数量、种类，安全带系留方式，乘员的逃生路线等都存在差异，这些差异都会对乘员安全逃生产生影响。因此，HUET装置应与实际直升机外形尺寸和机舱内部布局相同，即应按照1∶1比例制作。同时针对不同机型的直升机，应设计与之相对应的模拟训练装置，以满足各类人员的训练需求。

（2）目前常用逃生通过率来判断逃生效果，根据相关研究，HUET通过率高达99．28%[9]，但这种方式并不能综合反映坠水人员水下逃生的能力。应将实时监测系统运用到HUET装置中，利用水下视频监测设备，多角度监测受训人员在整个训练过程的实时动作，通过视频传输和记录功能，训练考核人员可以通过显示终端随时监测训练过程，经综合判断，针对性提出训练建议，使HUET装置的功能不断完善。

（3）在水下逃生训练过程中，HUET装置的运行状况、水下环境、坠水人员的心理以及坠水人员的身体状况都会对受训人员快速解开安全带、打开逃生出口产生影响。在HUET过程中，一旦发生危险，将会造成人员伤亡，因此HUET装置的设计应更加重视装备的安全性。通过在机舱内增加应急刀、留有备用的逃生出口、采用密度更轻的材料等方式优化HUET装置的设计，防止危险发生，不断提高装置使用的安全性。

4 结语

随着国内外水上飞行训练任务逐渐增加，HUET装置的开发研究也变得越来越迫切。本文分析了目前HUET装置的研究进展和关键部件，并结合现状，指出HUET装置的研究应朝着高逼真度、多功能性、更加安全的方向发展。本研究可以为HUET装置的研究提供理论基础和技术支撑，对推动水下逃生训练的开展具有现实的指导意义。