兼顧有人/無人模式的eVTOL駕駛艙設(shè)計(jì)研究

隨著世界人口和人均汽車保有量的增加，中大型城市地面交通情況持續(xù)緊張。傳統(tǒng)的修建地下隧道/高架橋等方式由于邊際效應(yīng)遞減難以有效解決交通擁堵問題，因此迫切需要開辟空中交通路線。近年來各國積極推進(jìn)城市空中交通（UAM）概念落地，大力發(fā)展“低空經(jīng)濟(jì)”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)利好政策也在不斷推出。在城市空中交通領(lǐng)域，eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）具有廣泛的應(yīng)用前景。

自2010年，美國及歐洲等國著手探索eVTOL，并逐漸衍生出了多旋翼、復(fù)合翼和傾轉(zhuǎn)旋翼等多樣化平臺(tái)構(gòu)型。近年來，新能源產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，“三電”（電池、電機(jī)和電控）技術(shù)不斷取得突破，電動(dòng)垂直起降飛行器逐漸具備軍用/商用價(jià)值。在巨大的市場紅利驅(qū)使下，老牌航空企業(yè)、新興航空公司、汽車公司紛紛布局eVTOL研發(fā)，并逐漸涌現(xiàn)出以美國Joby、Archer，德國Volocopter等公司為代表的獨(dú)角獸企業(yè)。其中，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL具有高速、舒適、大航程的特點(diǎn)，在交通運(yùn)輸方面具有顯著優(yōu)勢，Joby、Archer、沃飛航空等公司推出了一批有代表意義的傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL全尺寸驗(yàn)證機(jī)，客觀上反映了eVTOL的發(fā)展方向。

傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL基本情況及試飛進(jìn)展

2020年7月，Joby公司研制的第一架全尺寸預(yù)生產(chǎn)原型機(jī)JAS4-2開始進(jìn)行飛行測試，相繼完成垂直飛行、過渡飛行、巡航飛行，以及最大飛行速度的驗(yàn)證。Joby公司試飛員用第一架2.0預(yù)生產(chǎn)原型機(jī)上進(jìn)行了懸停檢查飛行，但所有的過渡飛行都是由地面控制站遠(yuǎn)程駕駛的，駕駛艙沒有試飛員。隨著技術(shù)成熟度與飛行員操作能力的提升，越來越多的飛行員開始深入?yún)⑴c飛行測試活動(dòng)。

2022年11月，美國Archer公司研制的雙座Maker驗(yàn)證機(jī)以地面站遠(yuǎn)程控制方式，成功完成了首次向全翼飛行的過渡，后續(xù)進(jìn)行了一系列的飛行測試，為Midnight四座eVTOL空中出租車項(xiàng)目取證提供技術(shù)驗(yàn)證。

在傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL研制過程中，以無人模式開始驗(yàn)證飛行是一種常見的方法。基于降低風(fēng)險(xiǎn)、逐步提升的思路，第一步通過無人駕駛試飛驗(yàn)證，提升技術(shù)成熟度、飛行員操作能力；第二步開展有人駕駛飛行，在完成飛行員培訓(xùn)、確定的相關(guān)飛行包線基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行試飛。

因此，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL往往需要具備有人和無人雙?？刂颇芰Γ瑢︸{駛艙設(shè)計(jì)提出了新的要求。

駕駛艙人機(jī)工效設(shè)計(jì)因素分析

傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL以直升機(jī)模式垂直起降、以固定翼模式航線飛行。直升機(jī)/固定翼模式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對駕駛員人體尺寸、駕駛艙布局、內(nèi)外視野、操縱裝置等方面存在不同的要求，尤其是外部視野、儀表顯示、操縱控制等方面。傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙在符合直升機(jī)/固定翼模式標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的前提下，還應(yīng)滿足無人駕駛相關(guān)的要求。

外部視野

外部視野是指有人模式下駕駛員能夠看到的駕駛艙外部區(qū)域，對駕駛員獲取外部環(huán)境信息、安全飛行具有非常重要的作用。無人模式對駕駛艙外部視野沒有明確要求。

外部視野是傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙設(shè)計(jì)過程中的重要一環(huán)。以傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL使用需求為牽引，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn)，分析駕駛員在不同飛行階段（垂直起降、過渡飛行、巡航飛行、轉(zhuǎn)換飛行等）對外部視野需求，綜合考慮不同模式對應(yīng)的適航規(guī)章、國標(biāo)等設(shè)計(jì)要求，通過組合、裁剪等方式建立適用于傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙外部視野要求，開展駕駛艙外部視野設(shè)計(jì)。

對于常見的并列雙駕駛構(gòu)型駕駛艙，根據(jù)AC 29.773等適航規(guī)章的要求，駕駛員（以右駕駛員為例）從設(shè)計(jì)眼位可得到不受妨礙的最小視角直線圖見下圖，紅色區(qū)域?yàn)橹鄙龣C(jī)模式外視野要求，綠色區(qū)域?yàn)楣潭ㄒ砟Ｊ酵庖曇耙?。通過對比分析，直升機(jī)模式對前方/下方外部視野有更高的需求，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧兩種模式對外部視野的要求。

儀表顯示

傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL相對于傳統(tǒng)飛行器構(gòu)型復(fù)雜，飛行時(shí)需要駕駛員監(jiān)控的參數(shù)較多。傳統(tǒng)飛行器儀表顯示參數(shù)主要有：

（1）運(yùn)動(dòng)類信息，飛行器高度、高度變化率、速度、過載；俯仰角、橫滾角、航向角；攻角、側(cè)滑角等；

（2）狀態(tài)類信息：飛行器各系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)和工作模式；

（3）導(dǎo)航類信息，導(dǎo)航方式、經(jīng)緯度、飛行計(jì)劃、飛行航路、航路點(diǎn)；

（4）告警類、應(yīng)急處理類信息，故障告警及故障級別，參數(shù)告警（極限速度、極限過載、剩余油量等）、狀態(tài)告警（火警、空速管結(jié)冰等）；

（5）健康類信息，飛機(jī)各系統(tǒng)健康狀況；

（6）地理環(huán)境類信息，溫度、結(jié)冰程度、風(fēng)速、風(fēng)向、數(shù)字地圖等。

在滿足以上儀表顯示參數(shù)的情況下，有人模式下傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙還需要顯示飛行模式、傾轉(zhuǎn)角度、傾轉(zhuǎn)同步度、過渡走廊、各旋翼轉(zhuǎn)速等特有的參數(shù)。無人模式下，地面站還需要顯示鏈路狀態(tài)、任務(wù)規(guī)劃等參數(shù)。

操縱控制

傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL相對于傳統(tǒng)飛行器操縱復(fù)雜，對于駕駛員操縱控制能力提出了很高的要求。以一種典型操作程序?yàn)槔?，首先以直升機(jī)模式垂直起飛，達(dá)到一定飛行高度、速度后開始操作傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，向固定翼模式過渡，期間需要密切關(guān)注飛行參數(shù)，然后操控升力旋翼停轉(zhuǎn)，以固定翼模式巡航飛行；返航時(shí)，先要減速，然后操控升力旋翼增加轉(zhuǎn)速至100%，達(dá)到一定高度、速度后開始操作傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，向直升機(jī)模式轉(zhuǎn)換。緊急情況下，機(jī)組還需要根據(jù)所處的飛行模式采取不同的處置程序。

有人模式下，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙應(yīng)采用統(tǒng)一控制概念，使用一套操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL所有飛行階段的操縱控制，降低駕駛員認(rèn)知負(fù)荷，提升飛行效率。

考慮無人模式操控需求，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL駕駛艙還需設(shè)置有人/無人模式轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于切換有人/無人模式；根據(jù)無人模式飛行過程中控制設(shè)備使用需求，將駕駛艙中起落架、滅火、燃油、液壓、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)開關(guān)統(tǒng)一采用雙?？刂圃O(shè)計(jì)，既能通過物理開關(guān)操縱，也具備遠(yuǎn)程操控能力。

總結(jié)與展望

現(xiàn)階段傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL存在著顯示信息繁雜、操縱控制復(fù)雜、駕駛員認(rèn)知負(fù)荷高等問題，安全性水平還有待進(jìn)一步提高。隨著傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL的研究日漸成熟、試飛工作不斷取得進(jìn)展、性能不斷完善，幾款代表機(jī)型也將取證并交付使用，使用范圍和任務(wù)性質(zhì)將進(jìn)一步擴(kuò)展，以更高效、更實(shí)用、更安全的飛行擴(kuò)大空中出行市場。

未來人工智能算法改進(jìn)以及計(jì)算能力的提升，推動(dòng)智能人機(jī)交互、輔助決策、自主控制等智能化技術(shù)在駕駛艙人機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以進(jìn)一步降低駕駛員工作負(fù)荷，將駕駛員工作重心集中在狀態(tài)監(jiān)控、綜合決策方面，有效提升傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL人機(jī)工效與安全性水平。