側(cè)桿空間安裝位置影響分析

趙翔　張文星

摘? 要：側(cè)桿系統(tǒng)的安裝與設(shè)置對飛行安全來說非常重要，探究了側(cè)桿系統(tǒng)空間優(yōu)勢、人工功效考慮、具體安裝位置。研究結(jié)果對側(cè)桿的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：側(cè)桿;人機(jī)工效;人感特性

中圖分類號：V241.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0067-02

Abstract： The installation and setting of the side bar system is very important for flight safety. The space advantage， manual efficiency consideration and specific installation position of the side bar system are explored. The research results have a certain reference value for the design and test of the side bar.

Keywords： side bar; ergonomics; human perception

1 概述

20世紀(jì)70年代，F(xiàn)-16飛機(jī)首先采用了電傳操縱系統(tǒng)和側(cè)桿駕駛系統(tǒng)。側(cè)桿系統(tǒng)一般來說包括駕駛桿、手柄、固定基座和臂托四個部分。隨著電傳操縱技術(shù)的日臻成熟和不斷應(yīng)用， 首次采用電傳操縱系統(tǒng)和側(cè)桿的軍機(jī)F-16以及民機(jī)A320，帶來了各自領(lǐng)域內(nèi)操縱方式的變革，使側(cè)桿操縱在國外第三、第四代戰(zhàn)斗機(jī)及民用飛機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。

使用側(cè)桿操縱的優(yōu)勢非常多，但是由于側(cè)桿和中央桿操縱特性上有很大的差別，如果側(cè)桿的安裝與設(shè)置并不理想，或是飛行員對側(cè)桿的操縱特性不了解、不適應(yīng)，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

2 側(cè)桿系統(tǒng)的空間優(yōu)勢

使用側(cè)桿系統(tǒng)代替中央桿后，駕駛桿空間位置的變更帶來了一系列的好處。傳統(tǒng)的中央駕駛桿位于飛行員的雙腿之間，靠飛行員推、拉、按、壓形成的桿位移來實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)的操縱控制。由于現(xiàn)在使用的中央桿位移行程比較大，飛行員操縱時就要占用很大的前部空間，而且也拉大了飛行員和儀表板之間的距離，而且對飛行員正常操縱正前方控制板（UFCP）、多功能顯示器周邊鍵（MFDOSS）等形成障礙。去掉中央桿后，設(shè)計(jì)師就能把飛行員眼位參照點(diǎn)（ERP）設(shè)在最佳眼位。從而擴(kuò)大艙外視野，再加上可以將座椅參考點(diǎn)（SRP）前移，控制參考點(diǎn)（GRP）也會前移，排除了飛行員前方的行動障礙，無疑會大大改善前方儀表板的可視性，方便飛行員對前方控制器的飛行操縱。

3 側(cè)桿系統(tǒng)安裝位置的人工功效考慮

空間位置的變更同時帶來了人機(jī)工效上的問題，側(cè)桿相較于中央桿，更容易出現(xiàn)縱橫通道耦合的問題，所以當(dāng)操縱手柄來控制某個軸向的飛機(jī)運(yùn)動時，手柄和駕駛桿以及臂托的結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足兩個要求，一是手柄的造型一定要以固定手位構(gòu)型來幫助飛行員識別出受控的軸向;二是必須可以讓飛行員將純凈控制指令輸入到每個軸向，同時將其他軸向的意外輸入減至最少，減小縱橫耦合。側(cè)桿系統(tǒng)安裝表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：通常安裝在座艙右側(cè)的控制臺上;具備獨(dú)立調(diào)節(jié)機(jī)制;中立位軸線可以按照飛行員個人喜好相對于臂托進(jìn)行調(diào)整，如圖2所示。

側(cè)桿操縱的舒適程度直接影響飛行員的操縱，進(jìn)而影響了飛行品質(zhì)，而舒適程度的根本首先就體現(xiàn)在駕駛桿具體安放位置上，為了兼顧縱、橫兩通道的操縱，駕駛桿要安裝在駕駛員操縱駕駛桿時，手臂發(fā)力最有效的位置。

國外在相關(guān)方面主要研究了駕駛桿的位置對推桿和拉桿的影響，Lockenour在AFFDL-TR-78-171的研究中指出：“…一個人的最大力量是左右不對稱的，并且推桿和拉桿的能力相差大約一倍，…在第5和第95個百分位的男性力量相差達(dá)三倍…當(dāng)然，駕駛員在拉桿位置以給定的力緊握駕駛桿會感到吃力?！?/p>

圖2說明了側(cè)桿在駕駛艙人機(jī)工效中的各個參考點(diǎn)關(guān)系，相關(guān)研究表明，在考慮大多數(shù)飛行員能力的情況下，將側(cè)桿布置在不同的位置，飛行員所能施加的最大力也不同。側(cè)桿只是一個信號發(fā)生器，并沒有感受到翼面實(shí)際傳來的力，所以桿力不用和駕駛員能施加的最大力持平，但手臂在不同的情況下，能施加的最大力也不同，這些因素就為我們在設(shè)計(jì)側(cè)桿位置、中立位時，提供參考。

4 側(cè)桿系統(tǒng)具體安裝位置的確定

一般情況下，要確定側(cè)桿的具體安裝位置，我們需要綜合考慮座艙布局，相關(guān)試驗(yàn)研究表明人的推、拉桿能力和左右壓桿能力最好的區(qū)域，是桿位置相對座椅參考點(diǎn)在15.5～18.25英寸之間，所以最好將側(cè)桿放在此區(qū)域。

操縱側(cè)桿時，一定要和臂托配合使用。側(cè)桿的臂托包括圖3所示的支撐架和固定基座。臂托通常安裝在座艙右側(cè)控制臺上，具備獨(dú)立的調(diào)節(jié)機(jī)制，允許根據(jù)任務(wù)和飛行員體態(tài)進(jìn)行調(diào)整。臂托必須順應(yīng)人體操縱時的關(guān)聯(lián)性運(yùn)動并提供加速度分離和觸覺參照，對側(cè)桿的操縱來說相當(dāng)重要。當(dāng)飛行員前臂移動時，支撐架需要在固定基座上相應(yīng)于飛行員前臂做小范圍內(nèi)的平面隨動。

F16原型機(jī)采用的腕桿及肘桿結(jié)合的方式，資料顯示飛行員評述較差，飛完高過載機(jī)動動作后腕部及手臂會有兩道淤青，被戲稱為“通過看完成動作后的淤青程度可以猜出完成的機(jī)動”，影響動作完成質(zhì)量。研發(fā)F22時，對臂托方面做出了改進(jìn)，增大了支撐面的表面積，飛行員操縱時小臂的舒適度增加了很多。F35及人機(jī)工效方面較為先進(jìn)的陣風(fēng)均采用了曲面的支撐面，資料顯示飛行員反饋感覺舒適，完成機(jī)動動作時較協(xié)調(diào)。通過研究發(fā)現(xiàn)，可能的情況下增大臂托與小臂的接觸面積，用弧形的臂托限制小臂橫向操縱時的位移，在實(shí)際飛行時會取得更好的效果。

5 結(jié)束語

側(cè)桿人機(jī)工效影響因素分析是進(jìn)行側(cè)桿操縱飛行品質(zhì)研究的基礎(chǔ)，有重要的研究價值。本文主要從側(cè)桿的人機(jī)工效方面著手，通過分析國外的研究成果，汲取其長期的成功使用經(jīng)驗(yàn)，對側(cè)桿系統(tǒng)空間優(yōu)勢、人工功效考慮、具體安裝位置的確定三個方面進(jìn)行了探討，為后續(xù)的側(cè)桿改進(jìn)和使用提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭小朝，熊端琴，陸惠良，等.國外飛機(jī)側(cè)桿駕駛裝置的基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求[J].人類工效學(xué)，2006，12（2）：33-35.

[2]熊端琴，郭小朝，陸惠良，等.飛機(jī)側(cè)桿駕駛裝置的優(yōu)缺點(diǎn)及其改進(jìn)設(shè)計(jì)探討[J].人類工效學(xué)，2006，12（1）：36-38.

[3]Martin D M， Downing D R. Analysis and Design of Side-stick Controller Systems for General Aviation Aircraft[J].Journal of Guidance， Control， and Dynamics ， 1990，13（1）：16-21.

[4]Flying Qualities of Piloted Aircraft[M]， MIL-STD-1797B， 15 February 2006.

[5]Black， G. Thomas and Moorehouse， David J.， Flying QualitiesDesign Requirements for Sidestick Controllers， [J] AFFDL-TR-79-3126，1979.