教練機(jī)用雙艙被動(dòng)側(cè)桿駕駛交互邏輯研究

韓占朋，楊振聲，黃勇強(qiáng)，譚 磊

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

電傳操縱側(cè)桿駕駛正在成為新機(jī)飛控設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。自空客A320采用側(cè)桿操縱后，隨著F-16系列飛機(jī)的使用，越來(lái)越多的新型飛機(jī)都采用了側(cè)桿駕駛裝置，如美國(guó) F-35、F-22、B-47，俄羅斯 Su-37、S-37/C-37，法國(guó)“陣風(fēng)”等[1]。

由于側(cè)桿實(shí)現(xiàn)方式的差異可分為主動(dòng)、被動(dòng)兩種方式。與主動(dòng)側(cè)桿相比，被動(dòng)側(cè)桿的最大缺陷在于其缺乏反驅(qū)裝置，進(jìn)而產(chǎn)生人-機(jī)交互信息以及主/副駕交互信息的缺失[2]。這也決定了被動(dòng)側(cè)桿間的交聯(lián)是松散的，其中以A320、T-50和F-16雙座型為典型代表。而主動(dòng)側(cè)桿由于采用了電氣驅(qū)動(dòng)或電磁驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)雙艙之間的聯(lián)動(dòng)，目前僅有F-35飛機(jī)使用主動(dòng)側(cè)桿，屬于單艙駕駛，尚未涉及雙艙之間的交互。隨著被動(dòng)側(cè)桿技術(shù)日趨成熟，在型號(hào)上使用越來(lái)越廣泛，對(duì)被動(dòng)側(cè)桿之間的交互邏輯研究變得更加深入。

而國(guó)內(nèi)對(duì)于側(cè)桿的研究主要集中在側(cè)桿裝置的優(yōu)點(diǎn)、人感系統(tǒng)設(shè)計(jì)及側(cè)桿對(duì)飛行品質(zhì)的影響、主被動(dòng)側(cè)桿的設(shè)計(jì)等[2-6]。對(duì)雙艙飛機(jī)尤其是教練機(jī)的側(cè)桿駕駛交互鮮有提及，本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外側(cè)桿飛機(jī)的雙艙交互方式，旨在研究教練機(jī)適用的前后艙側(cè)桿駕駛交互邏輯，以期為雙側(cè)桿飛機(jī)雙艙交互設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

被動(dòng)側(cè)桿雙艙交互以空客A320最為典型。其被動(dòng)側(cè)桿的交聯(lián)采用觸覺(jué)、視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)的方式進(jìn)行，具體方式如下：

在正副駕駛艙內(nèi)設(shè)置優(yōu)先級(jí)按鍵、權(quán)限指示燈及異側(cè)操縱指示燈。

1）自動(dòng)駕駛未接通時(shí)

優(yōu)先級(jí)按鍵未按下時(shí)，正副駕駛桿的輸出代數(shù)和作為桿輸出，疊加的總和不超過(guò)單側(cè)桿最大偏度產(chǎn)生的指令。雙側(cè)均有權(quán)限指示燈閃亮。

當(dāng)有優(yōu)先級(jí)按鍵按下時(shí)，另一側(cè)的側(cè)桿輸出被隔離，同時(shí)有紅色箭頭指示操作優(yōu)先級(jí)在按下的一側(cè)。如果被隔離的側(cè)桿偏離了中心位置，獲取操縱權(quán)限的一側(cè)有綠色指示燈點(diǎn)亮，直至被隔離側(cè)的側(cè)桿回中后熄滅。優(yōu)先級(jí)按鍵松開(kāi)立即解除隔離狀態(tài)。

當(dāng)正副駕駛同時(shí)按下優(yōu)先級(jí)按鍵時(shí)，最后按下的一側(cè)獲取優(yōu)先權(quán)。側(cè)桿獲得優(yōu)先權(quán)超過(guò)40s后，另一側(cè)的側(cè)桿被永久隔離，直至被隔離的側(cè)桿優(yōu)先級(jí)按鍵被按下，解除永久隔離。

2）自動(dòng)駕駛接通情況下

優(yōu)先級(jí)按鍵未按下，當(dāng)側(cè)桿偏離中心位置（超過(guò)閾值）時(shí)自動(dòng)駕駛儀被自動(dòng)切斷，同時(shí)系統(tǒng)有語(yǔ)音提示及提示燈告警，提示自動(dòng)駕駛儀已被切斷。

當(dāng)有優(yōu)先級(jí)按鍵按下時(shí)，自動(dòng)駕駛儀被切斷，同時(shí)系統(tǒng)有語(yǔ)音提示及提示燈告警，提示自動(dòng)駕駛儀已被切斷。

在軍用飛機(jī)上，如T-50、F-16及“臺(tái)風(fēng)”雙座型的前后艙側(cè)桿亦不聯(lián)動(dòng)，其工作邏輯如下：在后艙駕駛桿上有一個(gè)前后艙操縱切換按鈕進(jìn)行操縱權(quán)限的切換，切換時(shí)有一個(gè)淡化過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是混控的，有來(lái)自前艙的指令，也有來(lái)自后艙的指令。當(dāng)然也設(shè)置了無(wú)混控，切換時(shí)后艙立即收回權(quán)限，這種情況一般在緊急情況下使用。

國(guó)內(nèi)側(cè)桿首次在J20上使用，雙艙設(shè)計(jì)在C919首次使用，目前都尚在驗(yàn)證試飛中。

2 問(wèn)題分析

與客機(jī)相比，側(cè)桿教練機(jī)作為培訓(xùn)飛行學(xué)員的專用飛機(jī)，采用前后艙設(shè)計(jì)，前艙視野清晰，操縱方便，由學(xué)員主導(dǎo)，后艙教員負(fù)責(zé)教學(xué)及監(jiān)控。與作戰(zhàn)飛機(jī)相比，側(cè)桿教練機(jī)更專注于教學(xué)，由于采用電傳飛行控制系統(tǒng)，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性高，具備超音速飛行能力，飛行過(guò)載大，對(duì)桿位移更加敏感。飛行學(xué)員的駕駛經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)變能力尚不足以獨(dú)立駕駛。

另外根據(jù)民航實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)近階段雙側(cè)桿輸入易引發(fā)飛機(jī)撞地、擦機(jī)尾、擦翼尖等危險(xiǎn)情況，嚴(yán)重危及飛行安全[7]。根據(jù)雙側(cè)桿輸入發(fā)生階段分布圖（見(jiàn)圖1）可以看出，雙側(cè)桿輸入主要發(fā)生在進(jìn)近階段，這對(duì)教練機(jī)教學(xué)尤為不利。

圖1雙側(cè)桿輸入發(fā)生階段分布圖

基于以上分析，作為培訓(xùn)學(xué)員的教練機(jī)，為保證安全，側(cè)桿駕駛交互應(yīng)保證同一時(shí)刻僅有一艙的側(cè)桿輸出有效即單艙有效原則。

基于單艙有效原則需解決以下問(wèn)題：

1）進(jìn)行操縱權(quán)限交接時(shí)，飛機(jī)的響應(yīng)是平滑過(guò)度且是可控、可預(yù)期的，不應(yīng)存在權(quán)限無(wú)歸屬狀態(tài)。

2）前艙操縱時(shí)，后艙教員應(yīng)能時(shí)刻監(jiān)控前艙學(xué)員的操縱，應(yīng)急狀態(tài)下應(yīng)能迅速收回駕駛權(quán)限；

3）應(yīng)能根據(jù)提示或告警確認(rèn)當(dāng)前的操縱權(quán)限歸屬；

4）前后艙均應(yīng)能在自動(dòng)駕駛模態(tài)下超控飛機(jī)并安全退出或返回自動(dòng)駕駛模態(tài)。

5）任意組合故障不應(yīng)引起權(quán)限歸屬的混淆、不可控或是無(wú)歸屬狀態(tài)。

3 提出方案

根據(jù)以上分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外側(cè)桿飛機(jī)的設(shè)計(jì)，同樣采用觸覺(jué)、視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)的方式進(jìn)行，提出以下方案：

前后艙設(shè)置操縱允許按鈕及權(quán)限指示燈，并在前艙駕駛桿頭上設(shè)置聯(lián)合操縱按鈕，交互過(guò)程伴有語(yǔ)音提示、下顯顯示相應(yīng)字符。具體交互方式如下。

3.1 正常交接

系統(tǒng)上電默認(rèn)前艙操縱有效。當(dāng)權(quán)限交接時(shí)，接管方發(fā)口令“請(qǐng)求操縱”，交接方回答“你操縱”后接管方按下操縱允許按鈕，相應(yīng)權(quán)限指示燈閃亮，交接方的指示燈熄滅。指示燈顏色及亮度應(yīng)避免過(guò)多吸引飛行員的注意力。按鈕位置及指示燈應(yīng)便于駕駛員左手操作且具有防誤操作功能。在切換過(guò)程中伴有語(yǔ)音提示，“前艙操縱”或“后艙操縱”，下顯應(yīng)有相應(yīng)字符顯示。另外，控制律需對(duì)兩側(cè)桿指令信號(hào)進(jìn)行淡化處理，減小切換瞬態(tài)。

3.2 應(yīng)急交接

任意狀態(tài)下，后艙教員可直接通過(guò)按壓側(cè)桿手柄上的聯(lián)合操縱按鈕進(jìn)行超控。任意狀態(tài)下，該按鈕被按下時(shí)后艙的側(cè)桿操縱指令輸出有效，該切換過(guò)程指令信號(hào)不進(jìn)行淡化處理；此時(shí)應(yīng)有語(yǔ)音提示“后艙應(yīng)急超控”，后艙權(quán)限指示燈亮。超控結(jié)束后權(quán)限返回到之前的所有者，相應(yīng)指示燈亮，且有語(yǔ)音提示“后艙超控結(jié)束，請(qǐng)謹(jǐn)慎操縱”，此時(shí)后艙教員應(yīng)通知前艙“你操縱”。當(dāng)聯(lián)合操縱按鈕保持按下超過(guò)40s后，后艙取得操縱權(quán)限，直至前艙操縱允許按鈕被按下。全程下顯應(yīng)有相應(yīng)字符顯示。

3.3 自駕模態(tài)下的切換

在自動(dòng)駕駛模態(tài)下，前后艙均可通過(guò)按壓聯(lián)合操縱按鈕進(jìn)行超控或直接操縱駕駛桿（超過(guò)閾值），切斷自動(dòng)駕駛，同時(shí)系統(tǒng)有語(yǔ)音提示及提示燈告警。按壓結(jié)束或桿回中后自動(dòng)接通自動(dòng)駕駛。

3.4 故障處置

可能的故障包括前/后艙操縱允許按鈕故障、前/后艙聯(lián)合操縱按鈕故障、前/后權(quán)限指示燈故障、語(yǔ)音故障、下顯故障，故障處置及權(quán)限歸屬如表1所示。

表1側(cè)桿交互故障處置

根據(jù)表1所示，任意組合故障下權(quán)限歸屬清晰，保證任意時(shí)刻單艙有效，滿足設(shè)計(jì)要求。但同時(shí)應(yīng)注意到前艙操縱允許按鈕故障情況下對(duì)駕駛交互影響較大，前艙無(wú)法二次獲取權(quán)限，而后艙聯(lián)合操縱按鈕故障情況下，一鍵超控功能失效。在極端情況下，所有指示狀態(tài)的缺失使駕駛員無(wú)法確認(rèn)當(dāng)前的權(quán)限歸屬，僅能通過(guò)飛機(jī)的響應(yīng)來(lái)判斷，具有潛在的危險(xiǎn)性。因此針對(duì)上述薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)可采用多余度管理技術(shù)減小這種故障的概率，并在飛行過(guò)程中監(jiān)控各按鈕功能是否正常，且在故障情況下及時(shí)提醒駕駛員。

4 優(yōu)缺點(diǎn)分析

設(shè)置操縱允許按鈕及聯(lián)合操縱按鈕可向駕駛員提供直接的觸覺(jué)提示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，駕駛員在飛行過(guò)程中注意力一般90%以上放在飛機(jī)艙外，而其對(duì)艙內(nèi)的儀表板關(guān)注不足10%[8]，因此直觀的觸覺(jué)提醒可大大減小飛行員的負(fù)擔(dān)，避免不必要的注意力分散。

后艙側(cè)桿桿頭上的聯(lián)合操縱按鈕允許后艙教員一鍵超控，在應(yīng)急狀態(tài)下尤為重要。

另外，權(quán)限分割清晰，不存在雙側(cè)桿均有效的情況，駕駛員僅根據(jù)權(quán)限指示燈的亮滅即可判斷出當(dāng)前權(quán)限所有者。

與空客切換邏輯相比，去除了混合控制邏輯，增加了桿頭聯(lián)合操縱開(kāi)關(guān)、一鍵超控功能，更強(qiáng)調(diào)后艙教員的優(yōu)先級(jí)，利于教學(xué)。與作戰(zhàn)飛機(jī)相比，雙艙交互更傾向于人機(jī)交互體驗(yàn)，與被動(dòng)等待權(quán)限交接相比，更強(qiáng)調(diào)前艙的主動(dòng)接管。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外側(cè)桿飛機(jī)雙艙駕駛交互邏輯，提出一種教練機(jī)適用的權(quán)限接管方案，指出其應(yīng)有的設(shè)計(jì)原則及方案設(shè)計(jì)。最后對(duì)此方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期對(duì)同類飛機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考，后期尚需駕駛員進(jìn)一步在環(huán)驗(yàn)證。