صندلی پرتاب هواپیماهای جنگنده چگونه تکامل یافت؟

وقتی هواپیمای جت داگلاس دیوی (Douglas Davie)، رهبر اسکادران نیروی هوایی سلطنتی بریتانیا در ۳۰ جولای ۱۹۴۳ سقوط می‌کرد، او برای فرار از هواپیمای خود انتخاب‌های زیادی نداشت. درحالی‌که کنترل هواپیما ازدست‌رفته بود، نیروهای شدید گرانشی به‌سادگی او را از درون کابین به خارج پرتاب کردند.

کنترل هواپیمای آزمایشی گلاستر (Gloster E28) قفل کرده بود. این هواپیمای آزمایشی، برای آزمون موتور جت جدید بریتانیایی‌ها ساخته‌شده بود. اکنون با قفل شدن کنترل، هواپیما در حال سقوط با سرعت و چرخش زیاد بود. پیش از اینکه داگلاس دیوی بتواند در ارتفاع ۳۳ هزار پایی از هواپیما بیرون بپرد، شیشه‌ی کابین خرد شد و هواپیمای در حال چرخش، او را از ارتفاع ۲۰ هزار پایی بیرون انداخت. آن‌قدر این سقوط آزاد شدید بود که پوتین‌ها، کلاه و ماسک اکسیژن او از جای کنده شد. خوشبختانه او توانست با مکیدن اکسیژن از لوله‌ی تعبیه‌شده برای این کار، تنفس کند و سپس چترش را باز کند. او صحیح و سالم به زمین بازگشت و فقط اندکی دچار سرمازدگی شد.

هرچند داگلاس دیوی این بار را شانس آورد، ولی تنها پنج ماه بعد در ۴ ژانویه ۱۹۴۴، نیروهای شدیدی که درنتیجه‌ی پرواز سریع هواپیما به بدنه وارد می‌شد، اثر مخرب خود را بیشتر نشان داد. داگلاس دیوی در حال پرواز با جت جنگنده‌ی آزمایشی دوموتوره‌ی میتیور (Meteor) بود. در این هنگام یکی از موتورهای هواپیما به ناگهان در سرعت زیاد و ارتفاع ۲۰ هزار پایی از جای کنده و هواپیما از کنترل خارج شد. وقتی که داگلاس قصد داشت با باز کردن درب کابین از هواپیما بیرون بپرد، دست چپ او قطع شد. حتی با این وضعیت نیز او توانست از هواپیما خارج شود. بااین‌حال به‌شدت صدمه دید و با برخورد به دم هواپیما بی‌هوش شد. به همین دلیل نتوانست چتر خود را باز کند و با سقوط به زمین  جانش را از دست داد.

خلبان‌های جت‌های اولیه برای فرار از هواپیمای درحال سقوط باید به صورت دستی درب کابین را باز می‌کردند و پایین می‌پریدند.

مرگ داگلاس دیوی خیلی هم بیهوده نبود. تجربه‌ی هولناک او منجر به بهبود سامانه‌های فرار از هواپیما و کم شدن از خطرهایی که خلبان هواپیماهای جت با رسیدن به‌سرعت زیاد مواجه می‌شوند شد. در حقیقت دلایلی که شرکت‌های سازنده‌ی هواپیمای جنگنده به سراغ سامانه‌های نوین فرار خلبان از هواپیمای در حال سقوط رفتند شامل موارد زیر می‌شود.

1. سیستم بدوی باز کردن درب کابین به‌صورت دستی و سپس بیرون پریدن از هواپیما بسیار کند و زمان‌بر بود.
2. از دست رفتن کنترل هواپیما در سرعت زیاد، منجر به افزایش نیروهای گرانشی از سمت‌های مختلف و سخت شدن کار خلبان در بیرون پریدن از هواپیما می‌شد.
3. با افزایش سرعت هواپیما، احتمال برخورد خلبان به سکان عمودی و افقی انتهای هواپیما در هنگام بیرون پریدن بیشتر می‌شد.
4. فشار هوا در سرعت زیاد می‌توانست اعضای بدن خلبان را از جا بکند.

حادثه‌ای که برای داگلاس دیوی اتفاق افتاد، وزارت هوانوردی را وحشت‌زده کرد. به همین دلیل خیلی سریع تصمیم گرفتند که به دنبال راهی ایمن برای فرار خلبان از هواپیمای جت در حال سقوط باشند. این آغازی شد برای ساختن صندلی‌های پرتاب‌شونده‌ای که با مواد منفجره از جا کنده و با راکت پرتاب می‌شوند. این صندلی‌ها از آغاز عصر هواپیماهای جت، جان خلبان‌های زیادی را نجات داده‌اند. اکنون تنها پس از چند ثانیه که خلبان متوجه می‌شود دیگر نمی‌تواند هواپیما را کنترل کند، می‌تواند به‌سادگی از هواپیما بیرون بپرد و با چتر بر زمین فرود آید. هرچند که هنوز صندلی‌های پرتاب‌شونده در حال تکامل هستند، تحقیق‌ها نشان می‌دهند که ۸۹ درصد پرتاب‌ها (ایجکت) به زنده ماندن خلبان منجر می‌شوند. این مقدار برای ایجکت های ارتفاع کمتر از ۱۵۰ متر، ۵۱ درصد است. متخصصان پزشکی هوانوردی معتقدند که با بهبود فناوری، این آمار می‌تواند بهتر از این هم باشد.

دلایل اختراع سامانه‌ی ایجکت:

1. سیستم بدوی باز کردن درب کابین به‌صورت دستی و سپس بیرون پریدن از هواپیما بسیار کند و زمان‌بر بود.
2. از دست رفتن کنترل هواپیما در سرعت زیاد، منجر به افزایش نیروهای گرانشی از سمت‌های مختلف و سخت شدن کار خلبان در بیرون پریدن از هواپیما می‌شد.
3. با افزایش سرعت هواپیما، احتمال برخورد خلبان به سکان عمودی و افقی انتهای هواپیما در هنگام بیرون پریدن بیشتر می‌شد.
4. فشار هوا در سرعت زیاد می‌توانست اعضای بدن خلبان را از جا بکند.

پیشگامان

وزارت هوانوردی بریتانیا مجبور بود کاری انجام دهد. عدم امکان بیرون پریدن ایمن از جت‌هایی که در حال سقوط بودند باعث شده بود که روحیه‌ی خلبان‌های نیروی هوایی سلطنتی تضعیف شود. این درحالی بود که هواپیماهای میتیور باید به‌زودی در خط مقدم جنگ جهانی دوم به کار گرفته می‌شدند. بنابراین وزارت هوانوردی شروع به جمع‌آوری ایده‌های سامانه‌ی فرار خدمه‌ی پرواز از تامین کنندگان معمول فناوری خود کرد. این تامین کنندگان شامل کمپانی هواپیمایی مارتین بیکر (Martin Baker) در دنهام باکینگهام شایر (Denham Buckinghamshire) با مدیریت جیمز مارتین (James Martin) که یک مهندس خودساخته بود نیز می‌شد. طبق گفته‌ی سارا شرمن (Sarah Sharman) در کتاب زندگی‌نامه‌ی مهندس، مارتین بیکر به‌عنوان یک مخترع کهنه‌کار، گجت های زیادی را در حوزه‌های مختلف اختراع کرده بود. از یک نوع ماهیتابه گرفته تا دوچرخه‌های مجهز به سقف، تیزکننده‌های ابزار، خودروهای سه‌چرخ و تغذیه‌کننده‌ی مهمات مسلسل. در سال ۱۹۳۴ او به کمک یک تعلیم‌دهنده به نام ولنتاین بیکر (Valentine Baker) به صنعت ساخت هواپیما وارد شد.

جنگنده‌های انگلیسی اسپیتفایر اولین هواپیماهایی بودند که مجهز به صندلی ایجکت شدند.

نخستین ورود مارتین به صنعت حفظ سلامت خلبان در سال ۱۹۴۰ صورت گرفت. وقتی که فرماندهی هواپیماهای جنگی از او خواست که یک درب کابین خلبان با قابلیت کنده شدن از جا برای هواپیماهای اسپیتفایر (Spitfire) نیروی دریایی بسازد. پاسخ مارتین ساده و تأثیرگذار بود. یک توپ قرمز رنگ لاستیکی آویزان از سقف کابین، کابل‌های متصل به میخ‌های نگهدارنده‌ی پیرامون سقف کابین را می‌کشد. بدین ترتیب سقف کابین به‌سرعت از جای کنده و به جریان باد سپرده می‌شود. این سیستم بر روی همه‌ی هواپیماهای اسپیتفایر به‌صورت استاندارد استفاده شد.

سارا شرمن می گوید: «همزمان آلمانی‌ها از سال ۱۹۳۹ در حال کار کردن بر روی صندلی‌های پرتاب‌شونده با مکانیسم پیشران موشکی بودند. در ۱۳ ژانویه سال ۱۹۴۲، یک خلبان آزمایشی نیروی هوایی آلمان (لوفت وافه) به نام هلموت شنک (Helmut Schenk) از یک هواپیمای هنکل ۲۸۰ (Heinkel He 280) که این هواپیما نیز از نوع دوموتوره‌ی جت بود بیرون پرید. سیستم ایجکت او از نوع صندلی پرتاب‌شونده با هوای فشرده بود که به‌شدت به سمت بالا پرتاب می‌شد.  در پاییز ۱۹۴۴ وزارت هوانوردی بریتانیا گزارش‌هایی عجیب مبنی بر اینکه خلبان‌های آلمانی پس از هدف قرار گرفتن هواپیمایشان به هوا شلیک می‌شوند دریافت کرد!»

کارتریج‌های انفجاری

علی‌رغم طراحی زمخت و غیرمعمول، صندلی پرتاب‌شونده‌ی هواپیمای هینکل در طول جنگ، جان دهها خلبان را نجات داد. کمپانی سوئدی ساب (saab) صندلی‌های پرتاب‌شونده‌ی خود را توسعه می‌داد و در سال ۱۹۴۲ توانست با موفقیت یک مانکن را بر روی سیستم ایجکت هواپیمای ساب ۱۷ آزمایش کند. بااین‌حال برخلاف آلمانی‌ها، فناوری سوئدی نه هوای فشرده یا موشک، بلکه کارتریج‌های پر از مواد منفجره بود.

جیمز مارتین باتجربه‌ای که در تسلیحات هواپیما داشت، فکر کرد که کارتریج‌های انفجاری می‌توانند انتخاب بهتری برای استفاده در صندلی‌های پرتاب‌شونده باشند. بااین‌حال، داده‌های فیزیولوژیکی درباره‌ی قرار گرفتن بدن انسان در شتاب شدید، کم بود. چگونه می‌توانید یک صندلی انفجاری با چنان‌قدرتی بسازید که بتواند خلبان را به خارج از کابین پرتاب کند و در ضمن آسیب زیادی به او نرساند؟ فقط یک راه برای فهمیدن آن وجود داشت. مارتین بیکر تعدادی ابزار ساخت که با آن‌ها می‌شد فشار وارد بر فردی که به‌صورت عمودی به بالا پرتاب می‌شد را اندازه گرفت. او سپس می‌توانست شتاب و میزان افزایش گرانش را اندازه بگیرد و بفهمد که احساس این فشارها بر روی انسان چگونه است. نخستین ابزار شامل یک سه‌پایه‌ی فلزی ۴.۸ متری با یک جفت ریل هدایت‌کننده‌ی صندلی می‌شد که به یکی از پایه‌ها متصل بود. صندلی با لوله‌های تلسکوپی هدایت می‌شد و از کارتریج‌های انفجاری انرژی می‌گرفت.

سیستم ایجکت هواپیمای ساب ۱۷ با انفجار باروت کار می‌کرد. هیچ پیشران راکتی در کار نبود.

آزمایش‌ها با مانکن ۹۱ کیلوگرمی خوب جواب داده بود. بااین‌حال چیزی که واقعا نیاز بود، آزمون بر روی یک انسان بود. فردی به نام برنارد لینچ (Barnard Lynch) این کار را انجام داد. لینچ بعدها هم در نقش خلبان آزمایشی و در حقیقت موش آزمایشگاهی، از ۳۰ هواپیمای دیگر ایجکت کرد. بیشتر این هواپیماها مدل گلاستر میتیور بودند. برنارد لینچ در آزمایش‌هایی که بر روی زمین انجام شد، در دستگاه مخصوص قرار گرفت و بار نخست ۱۴۰ سانتی‌متر به بالا پرتاب شد. در سه آزمایش بعدی، قدرت ماده‌ی انفجاری به‌تدریج افزایش یافت تا ارتفاع پرتاب به ۳ متر رسید. اینجا بود که او اعلام کرد فشار فیزیکی زیادی به او وارد شده است.

انفجار مهلک

لینچ در فشار گرانشی ۴g (چهار برابر گرانش زمین) در کمر خود احساس درد می‌کرد. بنابراین مارتین به مطالعه‌ی ستون مهره‌ی انسان پرداخت. حتی برای فهمیدن محدودیت‌های آن، در اتاق عمل، عمل باز ستون مهره‌ها را تماشا می‌کرد. در زندگی‌نامه‌ی او که خانم شرمن نوشته اینطور آمده که، منشی مارتین پس از دریافت قطعاتی از ستون مهره‌ی انسان که از طرف دوست جراح مارتین به دفتر او رسیده بوده شوک زده می‌شود.

نخستین صندلی‌های پرتاب‌شونده که خلبان را با کارتریج‌های انفجاری پرتاب می‌کردند، اثر مخربی بر روی ستون مهره‌ها داشتند. صندلی‌های مدرن‌تر، فارغ از بریتانیایی، آمریکایی یا روسی، نیروی عمودی g را به حدی که فقط بتواند خلبان را از برخورد با سکان عقبی خلبان برهاند کاهش می‌دادند. پس از آن، راکت‌ها روشن می‌شدند و می‌توانستند صندلی را تا ۶۰ متر یا بیشتر از هواپیما دور کنند.

هواپیماهای هاوکر هانتر اولیه صندلی‌های ایجکت صرفا انفجاری داشتند.

البته همیشه هم اوضاع اینطور نبود. در سال ۲۰۰۳، یک ستوان سابق نیروی هوایی بریتانیا به نام کرگ پنرایس (Craig Penrice)، یک هواپیمای هاوکر هانتر (Hawker Haunter) متعلق به دهه‌ی ۱۹۵۰ را در نمایشگاه هوایی پورتروش (Portrush) ایرلند شمالی هدایت می‌کرد، به ناگهان در بالای سواحل ولز، سامانه‌ی الکتریکی و موتور هواپیما از کار افتاد. برای بار دوم در دوران خلبانی، او مجبور به ایجکت شد. او واقعه را اینطور توصیف می‌کند: «انفجاری به غایت بزرگ و سهمگین رخ داد و من بزرگترین فشاری که در زندگی به کمرم وارد شده بود را احساس کردم. آن‌قدر زیاد که احساس کردم با یک‌تخته چوب به کمرم کوبیده‌اند.» درنهایت یک‌مهره‌ی کمر او شکست و تکه‌های استخوان در نخاع او فرورفت. همین باعث شد که برای مدتی از کمر به پایین فلج شود. او می گوید که هنوز هم ازنظر فیزیکی آن آدم قبل نیست.

صندلی پرتاب‌شونده‌ی هواپیمای هانتر که در سال ۱۹۵۶ ساخته‌شده بود، به‌طور کامل از کارتریج‌های انفجاری بهره می‌گرفت و فاقد راکت بود. این صندلی را خلبان‌ها به شوخی “Bang Seat” یا صندلی بنگ می‌نامیدند. پنرایس می گوید: «این صندلی در حقیقت با شلیک یک توپ کار می‌کند و باعث می‌شود که به دم هواپیمابرخورد نکنید. مدل‌های جدید فشار کمتری وارد می‌کنند. چون‌که انفجار آن‌ها ضعیف‌تر است و خلبان پس از پرتاب به بیرون با نیروی راکت به‌تدریج از هواپیما دور می‌شود.»

صندلی‌های پرتاب نخستین، فقط از ماده‌ی منفجره برای پرتاب استفاده می‌کردند و این فشار زیادی به خلبان وارد می‌کرد.

زیر فشار

مورد دیگری که می‌تواند به خلبان آسیب برساند، جهت هواپیما و خلبان در هنگام ایجکت کردن است. در تابستان ۱۹۶۶، دیوید ایگلز (David Eagles) یک خلبان نیروی دریایی بر روی ناو هواپیمابر اچ ام اس ویکتوریوس (HMS-Victorious) بود. دماغه‌ی هواپیمای بلک برن بوکانییر (Blackburn Buccaneer) او پس از جدا شدن از منجنیق پرتاب ناو، به‌شدت بالا رفت و هواپیما از کنترل خارج شد. او می گوید: «به خلبان کابین عقب گفتم بیرون بپرد و سپس ایجکت کردم.»

دیوید می گوید: «من احساس برخورد یک جسم تیز به کمرم را داشتم. این در یک چشم به هم زدن رخ داد. سه تا از مهره‌های کمر من شکست و درنتیجه برای چند ماه بر روی تخت خوابیده بودم. این صندلی هم از مدل مجهز به راکت بود. جیمی مارتین بعدا به من گفت که این آسیب می‌تواند به دلیل خم بودن هواپیما به یک طرف بوده باشد. وقتی هواپیما دچار واماندگی شد، به یک طرف خم شد. این وضعیت، مهره‌ی کمر من را پیش از ایجکت کردن تحت‌فشار قرار داده بود.»

صندلی‌های پرتاب پیشرفته از راکت‌هایی بهره می‌برند تا کمترین آسیب به خلبان وارد شود.

متیو لوییس (Matthew Lewis)، محقق حادثه در نیروی هوایی بریتانیا می گوید: «صندلی‌های پرتاب‌شونده‌ی مدرن، قابلیت ایجکت در وضعیت اصطلاحا “صفر-صفر” را دارند. بدین معنی که می‌توانند در ارتفاع صفر و سرعت صفر، پرتاب شوند. به بیان دیگر، حتی اگر هواپیمابر روی باند ایستاده باشد، سیستم ایجکت می‌تواند خلبان را بیرون پرتاب کند و به ارتفاع مناسب برای باز شدن چتر نجات برساند.»

اما پس از اینکه خلبان احساس می‌کند به مرگ نزدیک شده است و صندلی پرتاب‌شونده را فعال می‌کند چه اتفاقی می‌افتد؟ پس از اینکه خلبان اهرم فعال کردن ایجکت را می‌کشد، فرایند پرتاب کاملا به‌صورت خودکار انجام می‌شود. این اهرم معمولا یا بالای سر خلبان قرارگرفته است، یا بین دو پا، یا در کنار یک یا هر دو پا. اهرمی که بالای سر خلبان قرار می‌گیرد، می‌تواند به‌سرعت یکپارچه‌ی محافظ را روی صورت خلبان بکشد. این وسیله را که مارتین اختراع کرده، می‌تواند صورت و گردن خلبان را در موقعیت مناسب قرار دهد و در ضمن صورت او را در برابر شدت باد در هنگام خروج محافظت کند.

لوییس می گوید: «وقتی که اهرم کشیده می‌شود، سقف کابین از یکی از سه روش کنده می‌شود. خلبان می‌تواند همه‌ی درب کابین را با راکت‌هایی که در طول لبه‌ی آن قرارگرفته‌اند جدا کند. یا اینکه می‌تواند با استفاده از طناب زیگ زاگی کوچک انفجاری که در سقف کابین قرارگرفته آن را خرد کند. باد شدید قطعات آن را جدا می‌کند. راه سوم این است که سقف کابین بر اثر برخورد قسمت بالایی صندلی در هنگام پرتاب خرد می‌شود. بااین‌حال روش آخر خطر آسیب رسیدن به خلبان را افزایش می‌دهد و به‌اندازه‌ی روش اول آن را دوست نداریم.»

صندلی‌های پرتاب مدرن، از ماده‌ی منفجره و راکت برای پرتاب استفاده می‌کنند.

تهدید باد

پرتابگر صندلی، در عرض ۰.۱۵ ثانیه، فشاری در حدود ۱۲g تا ۱۵g به بدن خلبان وارد می‌کند تا خلبان بتواند از برخورد به دم هواپیما بگریزد. سپس راکت‌ها روشن می‌شوند. در این هنگام، یک چتر کوچک ۱.۵ متری از صندلی شلیک می‌شود و حرکت آن را متعادل می‌کند. اگر ارتفاع ایجکت بیشتر از ۱۲ کیلومتر باشد، هوا آن‌قدر رقیق است که ممکن است چتر به‌درستی باز نشود. بنابراین یک سنسور فشارسنج ارتفاع را اندازه می‌گیرد و فقط در ارتفاع کمتر از ۳ کیلومتر به چتر اجازه‌ی باز شدن می‌دهد. همه‌ی این‌ها با نظمی دقیق صورت می‌گیرد و خلبان لازم نیست کاری انجام دهد. لوییس می گوید: «عمل ایجکت خیلی سریع است و از زمان کشیدن اهرم ایجکت تا باز شدن کامل چتر نجات چیزی در حدود ۲.۵ تا ۳ ثانیه طول می‌کشد. همچنان نکته‌ی مهم درباره‌ی آسیب‌هایی است که ممکن است در اثر قرار گرفتن در معرض باد شدید بوجود آید. اگر در خودرویی با سرعت ۱۱۰ کیلومتر بر ساعت دست خود را از پنجره بیرون بگیرید، مقداری فشار باد احساس می‌کنید. در سرعت ۱.۱۱۰ کیلومتر بر ساعت، شرایط بسیار متفاوت است.

برای کاهش خطر، صندلی‌های پرتاب‌شونده اکنون دارای بست هایی برای دست و پا هستند. اهرم‌هایی روباتیک به‌سرعت فعال می‌شوند و پاهای خلبان را در بهترین وضعیت قرار می‌دهند تا در باد آسیب نبینند. مکانیسمی مشابه نیز در لباس تعبیه‌شده که به‌سرعت می‌تواند دست‌ها را به بدن بچسباند. خطر دیگری که وجود دارد و البته خیلی نادر است، سخت‌افزارهای پیشرفته‌ی زیادی است که به سر متصل هستند. مثل کلاه HUD و سیستم‌های دید در شب. این‌ها ممکن است در فشار باد شدید به گردن آسیب بزنند.

صندلی‌های با قابلیت تغییر جهت رانش راکت

لوییس می گوید: «اکنون بین ۲۵ تا ۳۰ درصد خلبان‌هایی که ایجکت می‌کنند دچار مشکل کمر می‌شوند. این معمولا به دلیل انفجار اولیه‌ی پرتاب رخ می‌دهد. بااین‌حال بیشتر آن‌ها کاملا درمان می‌شوند و به پرواز بازمی‌گردند. لوییس قبول دارد که صندلی‌های پرتاب‌شونده‌ی جدید، عملکرد خیلی بهتری نسبت گذشته دارند، بااین‌حال به‌عنوان یک متخصص پزشکی هوانوردی، او به دنبال راه فرار از هواپیما به شکل کاملا ایمن و البته با سناریوهای پیچیده‌تر است. لوییس می گوید: «برای مثال، وقتی از هواپیمایی که به‌صورت وارونه در ۶ متری زمین قرارگرفته ایجکت می‌کنید، به زمین می‌خورید. ولی با صندلی‌هایی که مجهز به راکت‌های با توانایی تغییر جهت رانش هستند، می‌توان از این موقعیت هم گریز کرد و با چرخش به سمت آسمان، چتر را باز کرد.»

در حال حاضر، شرکت سامانه‌های هوافضای کولورادو اسپرینگز UTC، که رقیب آمریکایی مارتین بیکر محسوب می‌شود، در حال کار کردن بر روی صندلی‌های پرتاب هوشمندتری به نام Aces 5 است. ایده بدین‌صورت است که میزان رانش راکت‌ها می‌تواند بسته به وزن خلبان متفاوت باشد. مثلا نیرویی که به صندلی خلبان‌های زن با وزن کمتر وارد می‌شود، نباید به‌اندازه‌ی مردهای سنگین‌وزن‌تر باشد. بنابراین در این سیستم هوشمند، میزان رانش نسبت به وزن خلبان تنظیم می‌شود.

هرچند که صندلی‌های ایجکت همچنان ایرادهایی دارند، ولی برای خلبان‌هایی که تنها چند ثانیه تا پایان زندگی فاصله دارند، ایجکت گویی هدیه‌ای از طرف خداوند است. پنرایس می گوید: «من یکی از ۱۶۰ خلبانی هستم که در زندگی خود دو بار ایجکت کرده‌اند. فکر می‌کنم که واقعا خوش‌شانس هستم و اگر صندلی ایجکت نبود، من اکنون زنده نبودم.»