Во время катапультирования на организм летчика в течение короткого промежутка времени действуют поочередно или одновременно следующие факторы (Рис. 1):
— перегрузка при выстреле;
— удар воздушного потока;
— перегрузка при торможении воздушным потоком;
— перегрузка при действии отрицательной подъемной силы;
— угловые ускорения.




Перегрузка при выстреле. Путь разгона кресла в кабине очень незначителен, так как он ограничен размерами кабины (0,7—1,25 м), поэтому катапультирование производится с большим ускорением (150— 200 м/сек2), продолжающимся 0,15—0,2 сек. При катапультировании вверх перегрузка действует в направлении «голова —таз» и приводит к значительному нагружению позвоночника. В итоге многочисленных экспериментов установлено, что перегрузка порядка 18—20, действующая в течение 0,15—0,2 сек, при правильной позе летчика и наличии упора для головы, и рук не вызывает повреждений позвоночника, но перегрузка выше 20 и особенно выше 25 является безусловно опасной. Особое внимание необходимо уделять фиксации туловища летчика к спинке кресла. Дело в том, что силы передаются только через позвоночник. Это обстоятельство крайне важно для разработки мер по повышению переносимости ударных перегрузок, возникающих при катапультировании. Определим перегрузку, испытываемую летчиком при катапультировании вверх при следующих условиях:
— начальная скорость кресла (с летчиком) Vo=0;
— скорость катапультирования 20 м/сек;
— путь, проходимый креслом по направляющим, 1,25 м.

Удар воздушного потока. При движении кресла в направляющих лицо и тело летчика, выйдя за пределы кабины, попадают в воздушный поток. При скорости полета ниже 700 км/нас непосредственное действие воздушного потока на лицо переносится без вредных последствий. При скорости полета больше 700 км/час возможны надрывы кожи в области глаз, рта и шеи, поэтому лицо надо защищать. Защитная шторка позволяет увеличить скорость, при которой возможно катапультирование, до 900— 1000 км/час. Однако шторкой неудобно пользоваться, если летчик одет в высотный компенсирующий костюм или скафандр с герметическим шлемом, поэтому шторочное кресло на больших высотах не применяется. Местное действие воздушного потока на незащищенные конечности приводит к разбрасыванию их относительно корпуса или к вращению в суставах, что является основной причиной возникновения травмы. Для защиты конечностей от разбрасывания применяются захваты и упоры, которые прочно фиксируют их в момент катапультирования. По мере выхода кресла в поток действие ударной волны воздуха распространяется на все тело. Установлено, что давление порядка 0,6 кГ/см2 вызывает контузии (ушибы), а давление свыше 1 кГ/см2 обычно приводит к гибели. При катапультировании у земли на звуковой скорости (332 м/сек) оказываемое потоком давление (0,72 кГ/см2), очевидно, близко к предельно допустимому. При катапультировании на сверхзвуковых скоростях полета характер обтекания кресла изменяется. Возникают так называемые скачки уплотнения, в которых резко (скачком) повышается плотность и давление воздуха, а позади которых напор воздуха уменьшается. В печати опубликованы материалы, рекомендующие для уменьшения давления на тело применять дефлекторы, устанавливаемые впереди кресла. Дефлектор представляет собой небольшую пластинку, выдвигаемую вперед на телескопической штанге (Рис. 2). Скачок уплотнения образуется на дефлекторе и кресло оказывается позади скачка, т. е. там, где давление воздушного потока на кресло уменьшается.




Перегрузки при торможении воздушным потоком. После схода кресла с направляющих встречный поток воздуха вызывает торможение кресла с летчиком и, следовательно, перегрузку в направлении «спина—грудь». Чем больше скорость полета, тем больше действующая перегрузка. Величина давления Q, оказываемого встречным воздушным потоком на человека с креслом (сила лобового сопротивления) при покидании самолета, может быть определена по формуле Здесь S — площадь поперечного сечения системы «человек—кресло» в м2. Перегрузку торможения можно снизить двумя способами: увеличением веса кресла и уменьшением площади поперечного сечения системы «человек—кресло». Увеличения веса кресла можно достигнуть путем установки на него некоторых самолетных агрегатов. Однако следует иметь в виду, что значительное увеличение веса не желательно, так как оно потребует увеличения мощности стреляющего механизма. Кроме того, вследствие увеличения веса катапультируемого кресла увеличивается его инерция, и, следовательно, падение скорости движения кресла будет происходить более медленно. Продолжительность действия перегрузок в этом случае увеличится.



Зависимость величины перегрузки торможения от скорости полета для различных кресел показана на Рис. 3. На графике видно, что при скорости полета 1200 км/час система «человек—кресло» площадью S = 0,7 м2 испытывает предельно допустимую перегрузку 45. Другое кресло с тем же весом, но с площадью S = 0,5 м2 испытывает значительно меньшую перегрузку, а именно 35.

Перегрузка при действии отрицательной подъемной силы. После вылета кресла из кабины вертикальная скорость, приобретенная при выстреле, быстро уменьшается и подъем кресла через 0,4— 0,7 сек (в зависимости от скорости полета, веса кресла и особенностей его конструкции) прекращается. Это объясняется тем обстоятельством, что при обдуве кресла с человеком горизонтальным потоком возникает отрицательная подъемная сила, направленная вниз. При больших скоростях полета эта отрицательная подъемная сила может в несколько раз превысить силу веса кресла и создать значительные перегрузки в направлении «таз—голова». Таким образом перегрузка, действовавшая при выстреле в направлении «голова —таз», изменяет знак на обратный и действует после вылета кресла в направлении «таз—голова».

Угловые ускорения. Кресло, выброшенное из кабины на большой скорости полета, не сохраняет устойчивого положения и начинает беспорядочно вращаться. Практика показывает, что время вращения кресла в потоке составляет всего несколько секунд. Однако на больших высотах вследствие меньшего сопротивления воздушной среды процесс вращения продолжается значительное время. С вращением кресла борятся путем устройства стабилизирующих щитков на уровне заголовника кресла или применения стабилизирующего парашюта, который открывается в момент выброса кресла.
При проектировании кресел стремятся к тому, чтобы угловая скорость вращения кресла с летчиком в свободном полете не превышала 2 об/сек, а вращение продолжалось всего несколько секунд.