飛行員抗荷抗缺氧能力檢測儀故障維修及改進建議

王海霞，徐 艷，金 朝，汪東軍，耿喜臣，張立輝，楊明浩，李寶輝

（空軍特色醫(yī)學中心，北京 100142）

0 引言

飛行員抗荷抗缺氧能力檢測儀（以下簡稱“兩抗儀”）是由原空軍航空醫(yī)學研究所研制，用于提高高性能戰(zhàn)斗機飛行員抗高過載能力和缺氧耐力，從而有效應(yīng)對戰(zhàn)斗機空戰(zhàn)飛行產(chǎn)生的高加速度、高加速度增長率和高升限等挑戰(zhàn)的特種設(shè)備[1]。兩抗儀通過對氣體壓力、流量和氧氣體積分數(shù)的控制，能夠在地面模擬不同機種服裝與面罩的壓力制度、生成不同高度的氧氣體積分數(shù)，從而實現(xiàn)抗荷能力[2]、抗荷正壓呼吸[3]、缺氧耐力[4]、下肢蹬力的訓練與檢測[5]功能。近年來，其廣泛應(yīng)用于飛行員航空生理訓練與研究領(lǐng)域，為切實增強飛行人員的抗荷和抗缺氧能力發(fā)揮了重要作用[6-7]。

該設(shè)備專用性強、應(yīng)用領(lǐng)域窄，受試對象為飛行員群體，核心部件為機載供氧設(shè)備，因此對操作和維修人員的知識背景和能力素質(zhì)要求較高。受飛行人員航空生理訓練時間限制，當設(shè)備發(fā)生故障時，要求維修人員能夠盡快查找故障原因并予以解決。本文在劉吉延等[8]故障分析的基礎(chǔ)上，簡要介紹該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的2例故障的現(xiàn)象、原因和檢修方法進行總結(jié)，同時結(jié)合使用經(jīng)驗和空軍衛(wèi)勤保障發(fā)展需求提出設(shè)備改進建議。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

兩抗儀由抗荷加壓呼吸系統(tǒng)、低氧生成系統(tǒng)、蹬力測量系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)及配套軟件組成，其中抗荷加壓呼吸系統(tǒng)包括操縱桿控制機構(gòu)（由飛機模擬操縱桿和角位移傳感器組成）、電氣比例閥、抗荷控制機構(gòu)、加壓器、肺式呼吸調(diào)節(jié)器、壓力傳感器等?？购杉訅汉粑到y(tǒng)工作原理如圖1所示。訓練時，飛行員拉動飛機模擬操縱桿，控制操縱桿上的角位移傳感器產(chǎn)生符合要求的電壓信號，該信號進入電氣比例閥，使其輸出壓力范圍為0～40 kPa的氣體。該氣體分為兩路，一路通過抗荷服接口輸入抗荷服，另一路輸入抗荷控制機構(gòu)，該機構(gòu)輸出與抗荷服壓力比例關(guān)系為1∶5的氣體，經(jīng)過肺式呼吸調(diào)節(jié)器進入面罩。

圖1 抗荷加壓呼吸系統(tǒng)工作原理圖

低氧生成系統(tǒng)由氧氣減壓閥、氮氣減壓閥、固定限流閥、氣體混合罐、安全閥和壓力傳感器等組成。通過控制固定限流閥前的氧氣和氮氣的壓力來調(diào)節(jié)呼入氣體的氧氣體積分數(shù)，形成符合試驗要求的體積分數(shù)的氧氣合成氣。低氧生成系統(tǒng)工作原理如圖2所示。每臺設(shè)備出廠前都經(jīng)過氧氣體積分數(shù)校準[8]，該設(shè)備可實現(xiàn)1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000和7 500 m高度的氧氣體積分數(shù)模擬。

圖2 低氧生成系統(tǒng)工作原理圖

蹬力測量系統(tǒng)用來測量飛行員的下肢靜態(tài)肌力，由蹬力踏板、蹬力傳送機構(gòu)和蹬力傳感器組成。

信號采集系統(tǒng)采集試驗過程中的各種被測信號，包括抗荷服壓力、面罩壓力、下肢蹬力、氧氣和氮氣壓力等。所采集的信號經(jīng)放大隔離模塊后，由信號采集卡采集至上位機軟件中進行信號處理、顯示及存儲。

配套軟件基于DASYLab多功能組態(tài)軟件編制，主要用于兩抗儀使用過程中信號的采集、處理、顯示和存儲，按兩抗儀功能劃分為4個檢測與訓練科目，使用人員可依據(jù)訓練大綱進入相應(yīng)科目完成相關(guān)任務(wù)。

2 故障案例

2.1 故障一

2.1.1 故障現(xiàn)象

抗荷訓練時，左右下肢蹬力增長不一致，左下肢信號明顯小于右下肢。

2.1.2 故障分析及處理

查閱設(shè)備蹬力測量系統(tǒng)與信號采集系統(tǒng)設(shè)計說明書可知，蹬力傳感器置于蹬力踏板后方的蹬力傳送機構(gòu)中，蹬力信號經(jīng)蹬力傳感器傳輸至信號采集箱，經(jīng)放大隔離模塊后，再由數(shù)據(jù)采集卡采集至上位機軟件中（如圖3所示），中間任一環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)故障。首先排查左、右下肢蹬力傳輸故障鏈，經(jīng)同一受試者左右腿交叉測試，排除右下肢蹬力傳送機構(gòu)故障；拆開左下肢蹬力傳送機構(gòu)，取出蹬力傳感器，觀察蹬力傳送機構(gòu)內(nèi)部無明顯摩擦痕跡，排除摩擦阻力對下肢蹬力的影響；將蹬力傳感器水平放置于地板上，其上加一個50 kg的砝碼，此時軟件顯示39 kg，用萬用表的0～5 V電壓擋測試信號采集箱中放大隔離模塊前端的蹬力傳感器輸出電壓，測試結(jié)果為0.76 V，將50 kg的砝碼換成100 kg的砝碼后，軟件顯示45 kg，萬用表顯示1.53 V，說明蹬力傳感器信號在進入放大隔離模塊前輸出呈線性，由此可以判斷放大隔離模塊前端無故障；設(shè)備斷電，用同型號的右下肢放大隔離模塊替換左下肢的放大隔離模塊，設(shè)備重新上電后，使用100 kg的砝碼進行測試，軟件顯示正常，由此判斷放大隔離模塊損壞，更換后，恢復蹬力傳送機構(gòu)，故障排除。

圖3 蹬力信號傳輸鏈

一般情況下，在出現(xiàn)信號顯示不正確的問題時，如信號不穩(wěn)定、零點偏移過大、信號過大或過小等，都可以從該信號的傳輸鏈上采用逐段排除法解決，可能原因包括蹬力傳感器被擊穿、接線松動、采集放大模塊損壞、采集卡故障等。

2.2 故障二

2.2.1 故障現(xiàn)象在訓練過程中旋動加壓器，面罩內(nèi)無壓力或通入面罩的氣體流量很低。

2.2.2 故障分析及處理

加壓器可調(diào)整面罩壓力大小，因此出現(xiàn)該故障時首先檢查氣源壓力及減壓后系統(tǒng)入口壓力。將系統(tǒng)壓力調(diào)整至300 kPa左右，觀察到壓力并不下降，說明氣源充足。然后斷開抗荷、呼吸和對抗壓連接管路接口，并用設(shè)備自帶的密封蓋封住，打開3.2∶1衣壓開關(guān)（如圖4所示）進入加壓呼吸訓練科目，旋動加壓器，此時故障依舊存在，且設(shè)備內(nèi)部管路連接處無漏氣聲音，排除管路漏氣、面罩漏氣或?qū)箟航涌诼┙訂栴}。將面罩壓力傳感器與抗荷服壓力傳感器入口管路對換，輕拉飛機模擬操縱桿（不超過面罩壓力傳感器量程），軟件顯示面罩壓力隨之上升，表明電路傳輸通道無故障。因此可以判斷問題出在加壓器處，拆開加壓器后發(fā)現(xiàn)加壓器膜片被沖壞，整體更換加壓器后故障排除。

圖4 兩抗儀操作面板

該故障多由操作人員誤操作引起，訓練結(jié)束后應(yīng)將加壓器逆時針旋至關(guān)閉狀態(tài)，若方向旋反，則下次試驗打開管路接通開關(guān)后瞬間增大的氣壓極易導致加壓器膜片被沖壞。該故障的解決方案為：（1）加強勤務(wù)使用培訓；（2）在設(shè)備升級時提升加壓器的膜片強度，并在加壓器前端安裝安全保護閥門，確保誤操作時氣壓不會對加壓器造成損壞。

3 設(shè)備改進建議

在經(jīng)歷多年的應(yīng)用實踐和探索后，兩抗儀應(yīng)用于我軍飛行員的航空生理訓練方案逐漸成熟。2018年，我軍新軍事訓練大綱正式頒發(fā)[9]，兩抗儀作為飛行員航空生理訓練的重要支撐設(shè)備，在飛行員抗高過載和抗缺氧訓練環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用。然而，隨著我軍新型戰(zhàn)機的投入使用、作戰(zhàn)訓練勤務(wù)需求的升級以及新技術(shù)的發(fā)展等，兩抗儀與新型戰(zhàn)機的個體防護裝備接口不匹配、信息化程度低、部件老舊更新困難等問題凸顯，亟待迭代更新。

3.1 兼容能力

現(xiàn)有兩抗儀是針對側(cè)管式和囊式個體防護裝備設(shè)計的，通過采用不同的壓力比機械結(jié)構(gòu)提供2種壓力制度。新型個體防護裝備的壓力制度與囊式一致，但其接口與囊式、管式都不相同，無法在兩抗儀上使用。新研設(shè)備可綜合考慮多機種個體防護裝備的接口和壓力制度，以快速可更替的模塊化接口設(shè)計方式開展升級研究，壓力制度控制考慮使用靈活性更高的電氣比例控制器件替代固定比例關(guān)系的壓力比機械機構(gòu)，從而實現(xiàn)多機種抗荷供氧和代償加壓模擬功能，提升設(shè)備的適配能力。

3.2 信息化管理水平

訓練結(jié)果信息對研究與提升訓練水平非常重要，現(xiàn)有兩抗儀僅支持數(shù)據(jù)本地存儲與回放調(diào)用，與其他航空生理訓練數(shù)據(jù)庫無連接接口，不便于整體統(tǒng)計分析。新研設(shè)備可考慮提升設(shè)備的信息化管理水平，研究建立飛行員訓練檔案庫，統(tǒng)一飛行員航空生理訓練數(shù)據(jù)接口，充分發(fā)揮試驗數(shù)據(jù)對訓練效果的評估與分析作用。

3.3 工效學水平

在與飛行員的溝通調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有兩抗儀的人機工效水平較低，如座椅、蹬舵間的相對位置，座椅舒適性等設(shè)計不便于受試者合理發(fā)力，在一定程度上影響了抗荷動作的發(fā)揮，因此，在研發(fā)新設(shè)備時要考慮從座椅、蹬舵、操縱桿、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等零部件或總成入手，論證研究提升設(shè)備人機工效水平的方法。例如，結(jié)合95%分位的飛行員身高和體質(zhì)量、殲擊機座艙設(shè)計標準等對座椅、蹬舵和操縱桿尺寸進行設(shè)計；細化人機顯示界面，如增加模擬載荷與個體防護裝備壓力制度的匹配信息，輔助飛行員精準完成抗荷動作用力程度與用力時機訓練；修改信息呈現(xiàn)方式，操作者與受試者顯示信息單獨分屏幕顯示，避免額外信息干擾訓練等。通過以上改進措施，可全面提升設(shè)備的訓練效能和訓練舒適度。

3.4 生理信號監(jiān)測功能

地面抗荷訓練時，抗荷服壓力和人體下肢肌肉緊張程度會促使血液從下肢和腹腔向心回流，抗荷正壓呼吸也會促使胸內(nèi)壓升高，從而導致人體心電、血壓等生理信號發(fā)生一定變化[10]。高空缺氧癥狀也與人體生理信號密切相關(guān)，徐樂樂等[11]在兩抗儀上對251名飛行員進行了缺氧訓練，并采用外接指夾式血氧飽和度儀記錄了訓練過程中受試者的血氧飽和度，結(jié)果表明高空缺氧癥狀與血氧飽和度有一定相關(guān)性?，F(xiàn)有兩抗儀須外接生理信號監(jiān)護儀才能監(jiān)測受試者的生理信號，因此新研設(shè)備可考慮融入心電、血壓、血氧飽和度、呼吸等多種生理信號實時在線監(jiān)測功能，無需外接設(shè)備，生理信號也可與抗荷服壓力、面罩壓力、下肢蹬力等信號同步存儲分析，可為飛行員相關(guān)能力的評判和提升提供豐富的客觀指標。

3.5 氣體供給方式

現(xiàn)有兩抗儀的低氧生成系統(tǒng)采用高壓氣瓶供氣方式，抗荷訓練時使用氮氧混合壓縮氣體，從設(shè)備“氧源”接口接入，缺氧訓練時使用純氧、純氮壓縮氣體，分別從“氧源”和“氮源”接口接入，切換訓練需更換氣瓶，且一般情況下1瓶壓縮氣體只能供8～10人訓練，耗氣量大，運輸及更換氣瓶耗時耗力。新研設(shè)備可考慮采用分子篩和空氣壓縮機相結(jié)合的方式，一方面降低訓練任務(wù)對保障力量的需求，另一方面也可利用分子篩的制氧能力在一定范圍內(nèi)無級調(diào)整氧氣體積分數(shù)，滿足抗荷和不同高度缺氧訓練任務(wù)的需要。

4 小結(jié)

兩抗儀已投入飛行員航空生理訓練多年，設(shè)備專用性強，如何在短時間內(nèi)根據(jù)故障現(xiàn)象找到故障原因并加以排除是提升訓練效率的有效保障之一。從本文所列故障和同行工作經(jīng)驗[8]來看，故障多集中在機械、電氣等設(shè)備的損壞方面，且部分損壞是由于使用人員操作不當引起的，提示使用人員要嚴格按照要求進行規(guī)范操作，設(shè)備維護維修人員要熟悉設(shè)備結(jié)構(gòu)組成和工作原理，設(shè)備發(fā)生故障時能夠根據(jù)故障現(xiàn)象列出可能的故障原因，從氣體和信號傳輸路徑入手，分步排除，進而確定故障位置。設(shè)備隨機使用文檔中明確了零部件使用壽命和維修保養(yǎng)建議，使用和維護人員須堅持定期維護和保養(yǎng)，并在使用過程中注重設(shè)備運行環(huán)境的整潔，建立使用維護登記本，完善維護保養(yǎng)記錄，做好易損件的補充備貨工作，對較難解決的故障做好故障現(xiàn)象記錄并及時聯(lián)系廠家予以解決。本文還從設(shè)備研制者角度出發(fā)，結(jié)合使用經(jīng)驗和勤務(wù)需求，從設(shè)備兼容能力、信息化水平、人機工效水平等方面給出了升級建議，為維修保障和研發(fā)人員提供了參考。