直升機應急備份儀表的作用和現狀分析

李藝文,賈永翠,任戰(zhàn)鵬

(1.陸軍航空兵學院,北京 101123;2.陸航研究所,北京 101100)

0 引言

目前,國內直升機數量大、機型多,并且呈現“新舊并行”的局面。這些不同機型、不同研制年代、不同用途的各型直升機的駕駛艙儀表也體現了直升機發(fā)展的各階段航空電子設備和技術的一些特點。隨著科學技術的不斷發(fā)展,現代直升機上廣泛使用綜合程度較高的多功能儀表和顯示器。但是這些設備普遍利用機載總線進行信息傳遞和共享,并且通常采用集中供電方式,一旦電源或信號傳輸、顯示等方面出現故障,駕駛員將喪失飛行所需參數。為此,直升機上都要求安裝有與機上其他系統和設備相對獨立的應急備份儀表。當機上大氣數據系統、慣性導航系統、綜合顯示系統等部分或全部失效時,應急備份儀表能為駕駛員提供一組對飛行安全必不可少的,包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數的信息顯示,幫助飛行人員安全著陸。而應急備份儀表作為駕駛艙儀表密不可分的一個重要組成部分,也呈現了航空儀表的發(fā)展特點;并且應急備份儀表在不同直升機上的種類、結構和安裝分布都不相同。本文針對現代直升機上的應急備份儀表,主要從發(fā)展現狀、使用時機和存在問題分析三個方面展開論述。

1 直升機應急備份儀表的現狀

我國直升機機型多,跨越年代周期長,因此各型直升機上的應急備份儀表結構設計和安裝分布也囊括了傳統的分布式機電儀表和現代的綜合化、數字化的綜合應急儀表,主要有三個階段:左右互為備份的分布式機電儀表,單體分布的應急備份儀表,綜合化、智能化應急備份儀表。

1.1 左右互為備份的分布式機電儀表

早期的直升機駕駛艙屬于并列式設計,儀表為機械式、磁電式和機電伺服式組合儀表,功能相對獨立、單一。主要飛行儀表基本上是雙套的、互為備份,集中在駕駛艙左、右兩側主儀表板(正副駕駛員的正前方儀表板)上。座艙儀表結構布局為典型的空分制結構。而且,信號傳輸也相對單一,基本采用傳統的點對點電纜傳輸方式,當其中某個儀表故障時,故障影響范圍相對較小,機組飛行人員判斷和處置相對簡單。此外,傳統儀表的優(yōu)點是結構相對簡單,顯示清晰,指針-刻度盤和指標-刻度帶的顯示還能顯示被測參數的變化趨勢;缺點是儀表的組成器件間存在影響指示精度,易受振動、沖擊的影響,噪音大,在低亮度條件下需要單獨照明,不易實現綜合顯示,使座艙儀表數量多,座艙布局擁擠,增加機組飛行人員的負擔[1]。

1.2 單體分布的應急備份儀表

隨著電子技術和多功能顯示器的發(fā)展,在最初的三代并列式直升機上,儀表結構布局變?yōu)闀r分制結構,即開始裝配綜合顯示系統。這種類型的機型主要將顯示器綜合化,通過綜合顯示屏(簡稱“綜顯”)將當前所需要的主要飛行儀表信息數據實時進行顯示,為正、副駕駛飛行人員提供相關飛行參數和信息畫面;還可以根據需要,飛行人員通過按壓顯示屏周邊的快捷鍵實現不同顯示界面之間的切換。但是,傳感器還沒有大范圍的綜合,因此,信號傳輸方式仍然以點對點的傳輸方式為主,只采用了有限的數據總線傳輸方式。為了確保安全,應急備份儀表還采用了傳統的機械式指示儀表和機電式指示儀表,如地平儀、氣壓高度表、空速表、航向位置指示器等。

在串列式直升機上,顯示器和傳感器的綜合化、集成化均得到加強,信號傳輸大量采用了總線傳輸的方式,系統之間交聯更加復雜。此外,前、后駕駛艙儀表板布局大體相同,仍為時分制結構;但根據飛行人員分工不同,前、后駕駛艙儀表種類存在一定差異,特別是應急備份儀表設置,主要在前駕駛艙儀表板上配有傳統的獨立式應急備份儀表,分別為高度表、空速表、應急地平儀、應急磁羅盤、旋翼轉速表。

1.3 綜合化、智能化應急備份儀表

后期的新型直升機上,采用了大量先進的技術和理念,駕駛艙主要飛行參數采用平板型液晶顯示器(LCD)。這種新一代航空電子系統是更高程度的綜合化結構,實現了各系統處理功能的綜合,并進而實現傳感器功能及信號處理功能的綜合化。其顯示器、傳感器和分系統之間仍通過總線傳輸實現數據信息的傳輸、共享[2]。而應急儀表從傳統的分立式機械或機電儀表升級為綜合化、智能化的小型綜合電子備份儀表系統,也稱備份飛行顯示系統。系統內置大氣數據測量模塊和姿態(tài)測量模塊;運用微處理器進行數據解算和處理;通過液晶顯示器實現信息顯示。部分綜合應急儀表與外部的捷聯磁傳感器、航向姿態(tài)系統等交聯。這種模式減少了應急儀表在儀表板上的使用面積和重量。

2 應急備份儀表使用時機

應急備份儀表系統與機上其他系統和設備相對獨立,能在機上主要的儀表系統發(fā)生任何單個故障或組合故障時,無需增加機組飛行人員的動作,向其提供關鍵的飛行參數,幫助飛行人員操縱直升機安全返回。因此,直升機上應急備份儀表主要體現在特情訓練、關鍵機動飛行和復雜電磁環(huán)境飛行等三個使用時機。

2.1 特情訓練

為了提高飛行人員空中處理突發(fā)特情的能力,在基礎飛行訓練階段,不同機型都在儀表空域中實施相應應急儀表課目的訓練。如“儀表空域飛行”中,設置有應急情況下的課目訓練:遮蓋部分儀表飛行,模擬部分儀表失靈的條件,飛行人員利用其他儀表指示的飛行狀態(tài)判斷和操縱直升機,并確保所駕直升機安全返回地面;或在飛行訓練中模擬電氣系統故障的條件,僅依靠應急備份儀表的指示進行飛行并安全返回地面。

2.2 關鍵機動飛行

在飛行人員操縱直升機的過程中,對于速度、高度等要求比較嚴格的關鍵機動飛行動作,如萊維斯曼飛行、斤斗飛行等,進入高度過低或速度過小可能會導致嚴重的飛行事故,飛行人員需要在進入前將多功能顯示器上的相關數據與應急儀表上的數據進行核對。正常情況下,數據應保持一致或誤差處于規(guī)定范圍內,并且飛行人員應以指示數值小的為準,為安全留有充分的余度;如若出現誤差較大的情況,需及時終止飛行動作,防止出現意外。

2.3 復雜電磁環(huán)境飛行

復雜電磁環(huán)境包括自然干擾和人為干擾。在復雜電磁環(huán)境下,尤其是人為干擾中,受強烈的有意干擾信號的作用,直升機上的電氣、電子設備容易發(fā)生各種故障。新型直升機上集成了大量的航空電子綜合系統。系統相互通信依賴的數據傳輸機制,要求數據總線具備很高的分布式處理能力和高吞吐率。但現代直升機上的數據總線本身具有的抗各種干擾的能力非常有限,會引發(fā)機上綜合顯示屏出現黑屏或畫面卡頓現象。同時,直升機的機體損傷也不可避免。為增加直升機的生存率:飛行人員在感受到有可能遇到電磁干擾時,需要依靠應急儀表指示數據進行核對,防止單一依靠綜顯可能提供的虛假數據而導致直升機進入復雜狀態(tài);另一方面系統完全癱瘓時,飛行人員只能依靠應急儀表來保證飛行安全,直至系統恢復或降落。

3 應急備份儀表問題分析

現代直升機經過長期的飛行訓練,駕駛艙應急備份儀表還存在一些問題有待進一步研究和改進,主要體現在安裝設計中存在的問題、特情訓練模式中存在的問題、綜合應急備份儀表存在的問題三個方面。

3.1 安裝設計中存在的問題

以上述的串列式直升機為例,受剩余功率和駕駛艙可用位置的影響,只有前駕駛艙安裝有幾種主要的飛行應急備份儀表,后駕駛艙并未安裝。該型機按照飛行訓練或任務中機組飛行人員各自擔負的責任、分工進行設計:前駕駛艙飛行人員主要負責飛行狀態(tài)保持,后駕駛艙射手兼副駕駛員主要負責自衛(wèi)和攻擊。但實際飛行訓練時,根據訓練科目的需要,往往是經驗相對較少的學員或副駕駛員在前駕駛艙,正駕駛員位于后駕駛艙。飛行中出現特情的概率、故障點位和飛行人員當時的身體狀況(如受傷等)都存在隨機性。一旦出現特情,需要后駕駛艙飛行人員來依靠應急儀表保持狀態(tài)和緊急降落時,由于后駕駛艙飛行人員不能及時得到應急備份儀表所提供的信息而導致無法正確操縱直升機,或者只能依賴前駕駛艙飛行人員進行操縱,直升機的操作處理可能不能達到飛行人員心中預期良好的狀態(tài),甚至錯失時機,造成不好的后果。此外,即使前后駕駛艙飛行人員經驗水平相當,但由于串列式結構不便于前、后駕駛艙飛行人員交互溝通,缺少應急備份儀表的后駕駛艙飛行人員也不能充分發(fā)揮自身在特情處置中的作用。

據該機型飛行人員反映,應急備份儀表(如高度表、空速表、地平儀等應急)在顯示界面尺寸上相對較小,不便于飛行人員快速準確地掃視判讀。尤其是在特情緊張的飛行狀態(tài)下,此種儀表顯示不能很好地保證飛行人員在極短的時間內準確地獲取所需要的信息,并及時、安全地操縱直升機。這都與儀表顯示信息必須具有準確、可靠、實時、清晰、直觀和容易判讀等符合人機功效學的特點要求存在一定的差距。

3.2 特情訓練模式中存在的問題

目前有關應急儀表的飛行訓練課目,統一采用早期的訓練方式,沒有針對機型特點制定,都是采用遮蓋部分顯示信息或者以綜顯黑屏的方式模擬主要飛行儀表故障,完成儀表特情飛行訓練。此時飛行人員通過應急儀表的指示數據判斷直升機狀態(tài)并且操縱直升機,使其安全返回地面。這種訓練模式針對20世紀70年代研制的直升機而言是科學、合理的。但是后期陸續(xù)研制的直升機,裝配的航空電子系統交聯程度高,數據信號集成度、綜合化高,其故障機理相對復雜,危險等級評估需要謹慎。僅僅模擬綜合顯示屏指示故障或黑屏,飛行人員通過觀察應急備份儀表的指示進行飛行,可能與直升機的真實狀態(tài)不一致,不能達到預期的飛行訓練目的。

飛行訓練模擬機的仿真技術是一項重要的試驗技術,是以計算機硬件及相應的軟件為基礎,以現代控制論與相似原理為方法,借助系統模型對設想的和真實的系統進行解析或半物理混合仿真試驗研究的一門綜合性新興技術。新型直升機應急備份儀表特情處置飛行訓練課目,就可借助飛行訓練模擬機這個平臺,運用仿真虛擬技術,將可能的儀表顯示特情故障現象在訓練模擬機顯示/控制器的駕駛艙虛擬顯示屏上顯示。通過顯示/控制航空電子系統相互作用的動態(tài)過程,開展開發(fā)人機閉環(huán)特性的研究。這樣不僅能夠避免在實裝上特情訓練的風險,還可以加大高難特情的故障模擬飛行訓練研究,為實裝上特情處置提供理論支撐和部分實踐經驗。

3.3 綜合應急備份儀表存在的問題

隨著直升機性能的不斷提高,應急備份儀表也越來越綜合化、智能化。綜合電子應急備份儀表順應綜合化趨勢,其結構緊湊,顯示功能豐富,表盤占用面積僅相當于傳統的地平儀指示表盤,重量相對較輕且可靠性高,在新型直升機上獲得廣泛應用。但綜合電子應急備份儀表仍無法避免以下幾個矛盾:一是顯示屏尺寸偏小,人機功效學較差;二是雖然綜合指示便于飛行人員獲取信息,但這種集成化的顯示模式,對顯示屏的依賴程度過高,也無形中增加了顯示屏和數據傳輸的可靠性要求,一旦出現故障,可能出現一損俱損的現象,導致飛行人員同時喪失所有應急飛行信息,后果不堪設想[3];三是綜合應急儀表國產化研制水平還不成熟,核心部件如滿足軍用戰(zhàn)機性能指標的MEMS陀螺、加速度計、微硅壓力傳感器等受制作工藝水平的限制,使綜合應急儀表的精度還達不到需求標準[4]。

4 結束語

綜上所述,應急備份儀表作為特情情況下的重要安全設備,在設計過程中,對于余度設計、顯示界面尺寸、位置等因素,應當多考慮人機交互感受,在條件允許的情況下盡可能便于機上每個飛行人員的快速判讀;而飛行訓練課目應當加強機型針對性,針對不同機型特點,改進和完善現有應急儀表的飛行訓練方式。此外,為了提高直升機在惡劣環(huán)境中的生存能力和安全性,除了技術和設備等方面需要提高,定期對飛行人員進行理論培訓、技術研討和經驗交流也是非常必要和重要的。這種訓練理念和方式一直被采用和大力推廣。