短距離起飛加速度對飛行員操作影響的分析

朱垣潔， 劉笑宇， 耿曉琪， 霍洪強， 柳松楊， 樊瑜波,5

(1. 北京航空航天大學 生物與醫學工程學院 生物力學與力生物學教育部重點實驗室, 北京 100083； 2. 北京航空航天大學 生物醫學工程高精尖創新中心， 北京 100083; 3. 北京航空航天大學 大型飛機高級人才培訓班, 北京 100083；4. 中國人民解放軍空軍航空醫學研究所, 北京 100142； 5. 國家康復輔具研究中心, 北京 100176)

隨著現代戰爭要求的提升，對于飛機的機動性能也提出了更高的要求[1]，尤其是隨著起飛條件的多樣化，短距離起飛需要對飛機設計與飛行員操作進行進一步的分析。近年來,對民用和軍用飛機的飛行事故調查發現，影響飛行安全的諸多因素并非單純來源于飛機本身，而大多均與人密切相關，尤其是高過載環境下人體的生理、心理和行為的響應[2-3]。

飛機在遠小于正常跑道長度的條件下起飛，帶來胸-背方向的加速度將對駕駛員的生理、心理和行為造成嚴重的影響，例如暫時性視力扭曲和喪失[4]、空間定向障礙[5-6]及長期的腰椎慢性損傷[7]等。

加速度的沖擊不僅對飛行員的身體造成傷害，同時也會影響其操縱飛機的準確性。飛機-駕駛員是一個閉環系統，短距離起降加速度的沖擊力可能會使飛行員傳遞給操作桿(駕駛桿與油門桿)的沖擊力大于設計操作力。造成飛行員無法完全自主操縱飛機，導致嚴重的誤操作。

目前對人-椅系統的運動學和動力學研究主要集中在汽車碰撞[8]、載人飛船座椅著陸緩沖[9-10]以及飛機彈射救生[11-14]等領域。

張竟和韓旭[8]建立并驗證了汽車碰撞時，駕駛員與座椅系統的動力學仿真模型，還有一些研究者關注于汽車碰撞時安全帶的作用，即人-椅約束系統。馬春生等[9]對載人飛船著陸緩沖時的座椅系統進行了建模，根據對載人飛船在著陸時人-椅間受力和肢體運動情況的分析，提出了對座椅系統的改進意見。張玉剛等[11]利用Kane方法建立了人體上肢動力學模型，模擬人-椅系統在各種彈射情況下的運動規律，并得出上肢的各種耐受極限。王春潔和曾福明[12]研究了彈射座椅的動態舒適性問題，著重給出了彈射過程中人-椅動力學特性。張大林等[13]則對繞彈射座椅系統的高速流場進行了數值模擬。魏靖彪等[14]則就某型飛機的彈射座椅的彈射運動進行了分析，給出其在開傘前的運動特性。

本課題組內也對人-椅約束系統進行過相關研究[15]，從生物力學角度探究操作桿位置以及椅背角對機動飛行時工效的影響。探究復合載荷下操作桿相關參數的文獻大多集中于常規起飛距離，就短距離起飛條件下操作桿相關參數的文獻仍不多見。

針對這一問題，本文建立了一套適用于動力學分析的飛行員-座艙系統模型，通過輸入短距離起飛模擬載荷曲線，仿真在起飛過程中飛行員身體各部位力學響應以及飛行員在加速度載荷作用下對飛機操作桿產生的沖擊力。并對飛機座艙和操作桿等關鍵部件進行設計，提出在短距離起飛高速載荷作用下避免誤操作的解決方案，為艦載機座艙的設計提供重要參考。

1 模型建立方法

1.1 飛行員假人模型

從機械角度看，人體骨骼具有明顯的剛體特征，因而人體運動系統實際上是一個多剛體系統。運動中人體各部分自身不發生形變，通過關節相互連接，產生彼此位置和姿態的相對改變。因此，人體可用若干剛性體與關節組成的系統模型予以有效地描述[16-17]。本文飛行員人體模型分為16個剛體部分和15個連接關節。

1.1.1 假人的幾何建模

飛行員假人設計利用計算機輔助設計，采用逆向建模的方法完成。首先，在3DMAX下以普通人的標準設計假人的表面三角面片模型，如圖1(a)所示。然后，選取逆向工程軟件Geomagic Studio12.0作為連接表面網格和實體特征的橋梁，在Geomagic中將假人的三角面片轉換成為具有自由曲面的實體，如圖1(a)和(b)所示。最后，導入到SolidWorks中，根據實測飛行員的人體數據調整假人各個部位的尺寸，最終調整后的假人實體模型如圖1(c)所示。

本文根據研究目的，將飛行員的假人模型分解成16個獨立的剛體部分，分別為頭、頸、胸、腰、上臂(2只)、前臂(2只)、手(2只)、大腿(2只)、小腿(2只)和腳(2只)，如圖2所示。

假人模型的設計參數來源于某研究所實測飛行員人體的幾何和慣性數據。本文旨在分析飛行員對操作桿的沖擊力影響，因此選取實測數據相對較小的P3(第3百分位)男性測量數據作為標準進行建模。對于分析的結果，假定在P3測量數據的假人在動力學仿真中對操作桿產生誤操作影響，那么更高的組別的計算數值必定會大于該組的計算值，即更容易造成飛行員的誤操作。

1.1.2 假人模型的關節設計

真實的人體關節是十分復雜的，通常是由骨骼和軟組織共同形成的。完全按照人體關節建立模型計算復雜，且不適用于本文的研究目的。本文使用多體系統動力學中標準的運動副對假人關節進行定義。假人模型中16個部位之間用關節鉸鏈連接，包括：頭頸關節、胸頸關節、腰關節、肩關節(2只)、肘關節(2只)、腕關節(2只)、髖關節(2只)、膝關節(2只)和踝關節(2只)。鉸鏈部分通過彈簧-阻尼系數相互作用，模擬人在運動過程中的力學響應。然而，關節的活動度因人而異，本文參考飛行員的通常年齡，選取一般青年男子在非強迫運動形式下的活動幅度作為模型關節運動角度范圍，如表1所示。

在關節設計中，本文通過設計限位的鉸鏈來模擬人體關節處的活動范圍，再將這些鉸鏈關節添加至假人模型的關節連接處。圖3為SolidWorks設計下的鉸鏈及其活動范圍限位設計。

通過鉸鏈將模型各部位相連接，保證仿真過程中假人的各相鄰的連接部位不發生碰撞，而僅有連接的關節相互起作用，以此仿真飛行員在沖擊載荷作用下的動力學響應，鉸鏈連接部位的模型如圖4所示。

表1 一般青年男子主要關節的活動范圍

1.2 座艙模型

飛機座艙模型參考蘇27座艙，并將其簡化為一個僅具有座椅、駕駛桿、油門桿和航向腳蹬的模型，如圖5所示。其中座椅和飛機地板為單一的整體；油門桿能夠以桿柄的末端為旋轉軸進行旋轉；駕駛桿能夠繞著旋轉中心做2自由度的旋轉運動(縱向與橫向旋轉)；2個航向腳蹬均可以做往返的直線運動。

利用SolidWorks根據給定的設計尺寸直接進行飛機座艙的建模，分析中主要考慮飛行員肢體的動力學響應，因此對座艙模型的逼真程度要求不高。駕駛桿和油門桿的位置和尺寸必須保證精確，而且模型也必須滿足如下2方面的設計要求：

1) 機身水平基準線與飛行員的視水平線的距離(設計眼位)為1.1 m，以保證飛行員的視野開闊。

2) 座椅背切線與儀表盤的距離大于0.47 m，以保證彈射座椅的順利彈出。

模型通過調整座椅的高度來保證設計眼位為1.1 m；通過調整座椅的前后距離來保證座椅背切線與儀表盤的距離大于0.47 m。

1.3 仿真條件

1.3.1 模型坐標系的選取

本文選用地面坐標系、相對坐標系和質心坐標系三者相結合的方式，用以方便整體和局部的生物力學分析。

1) 地面坐標系：用于分析整個飛行員和座艙相對于地面的運動。

2) 相對坐標系：用于觀察人體運動過程中各肢體之間的相對運動。此處將相對坐標系的坐標原點選取在座艙模型上，以觀察飛行員的肢體相對于整個飛機座艙的運動。

3) 質心坐標系：坐標原點取在質心，3個軸指向固定方向。對飛行員假人模型的運動進行分析，以分析人體肢體運動時各參數的變化。

1.3.2 條件設置

在多剛體關節中，采用機械結構的實體關節進行接觸碰撞，碰撞的類型為“沖擊”；相鄰人體連接2個部分的模型不設置碰撞，它們之間的碰撞將由實體關節來代替。

飛行員手握油門桿和駕駛桿的連接通過兩者之間的“固連”實現。飛行過程中，在安全帶的作用下飛行員的臀部與座椅固連，假設沒有相對位移，因此對飛行員的臀部與座椅施加一個固定約束，最終形成整個約束系統。將建立好的飛行員假人模型和座艙模型導入多剛體動力學分析軟件ADAMS中，施加工況條件，就可以分析飛行員在給定的加速度載荷下的動力學響應。

本文利用飛機加速起飛過程中胸-背方向的加速度載荷(Gx)模擬曲線作為仿真條件輸入，如圖6所示。其中橫坐標代表沖擊過程的時間歷程，縱坐標表示模擬曲線中對座椅輸入的加速度載荷Gx的變化值。在ADAMS求解環境下，仿真過程中將加速度曲線施加給飛機座艙，從而研究飛行員身體各部位在該工況條件下的動力學仿真以及飛行員與操作桿之間的力學相互關系。

2 仿真結果分析

飛行員在駕駛飛機中，左手握住油門桿、右手握住駕駛桿。短距離起飛造成的加速度沖擊，將會由飛機通過座椅系統傳遞給飛行員，并進一步通過其手臂傳遞到油門和駕駛桿上，造成飛行員的誤操作。本文通過對該過程的模擬，求解飛行員在模擬加速度沖擊下的操作情景，并通過計算手臂對操作桿沖擊力的大小，從而判斷該值是否超過了飛機操作力的設計有效閾值，動力學仿真結果如圖7所示。

通過仿真結果可以看到，飛行員在起飛過程中由于受到向后的慣性力，整個身體和頭部貼緊座椅，雙手伸直，給油門桿和駕駛桿一個與加速度方向相反的沖擊力。計算得到手臂對操作桿造成的沖擊力如圖8所示。

由圖8可見，駕駛員在起飛過程中，手臂對駕駛桿和油門桿的沖擊力趨勢與輸入的模擬載荷曲線(圖6)趨勢基本相同。手臂對駕駛桿的沖擊力最大值為128 N，平均值為109 N；最大值出現在加速度突然階躍改變的時刻，即飛機啟動和結束啟動時刻。相關資料顯示，普通戰機設計的縱向駕駛桿設計操作力約為100 N，顯然計算得到的手臂對駕駛桿的沖擊超過了該范圍；同樣的，駕駛員在起飛過程中手臂對油門桿的沖擊力最大值為211 N，平均值為150 N；資料顯示，普通戰機的油門桿設計操作力約為150 N，加速度瞬間沖擊造成的飛行員誤操作的可能性進一步的增大。

為了進一步研究短距離起飛對駕駛員人桿操作力的影響，本文仿真了不同加速度載荷條件下(1G、3G、5G和7G)飛行員上肢對油門桿和駕駛桿的反作用力，如圖9所示。

由圖9可見，在短距離起飛條件下，駕駛員上肢對油門桿和駕駛桿的沖擊力幾乎隨著加速度的增加呈現線性增加。當飛機起飛的加速度載荷小于3G時(正常戰機起飛加速度)，駕駛員上肢對飛機的駕駛桿和油門桿產生的沖擊力均小于普通戰機設計的操作力，這也從另一方面驗證了仿真結果的有效性；而在短距離起飛、尤其是當加速度載荷大于7G(瞬態)時，駕駛員上肢將會對駕駛桿和油門產生巨大的沖擊力，對飛行員的對抗控制水平要求極高，很有可能造成嚴重的誤操作。

3 結果討論

本文利用有限元仿真的手段，建立了飛行員-座艙多剛體模型，以分析短距離起飛條件下駕駛員與操作桿的力學相互關系。該模型已經利用筆者課題組前期模型[15]進行對比驗證，并與Hearon和Brinkley[18]的實驗結果進行有效性驗證，仿真結果可為駕駛操作系統的人機設計提供參考。

研究結果發現，短距離起飛的Gx向加速度載荷通過手臂傳到至駕駛桿和油門桿的沖擊力均已經超過了正常的操作力，即如果飛行員雙手緊緊握住油門桿和駕駛桿將會對駕駛造成影響。從避免起飛時誤操作的角度出發，一種簡單的途徑是提高操作桿的設計力。計算結果顯示，駕駛員上肢對操作桿的沖擊力隨著加速度的增加呈現線性增長，可以根據圖9對駕駛桿和油門桿的操作力進行設計。

另外，美國的F15戰斗機是美國空軍現役的主力戰機之一，調查發現該型號在駕駛員的上方設計有一個固定環，飛行員在短距離起飛過程中，可以握住固定環以避免上肢對油門桿和駕駛桿的沖擊力。參照上述設計，本文在飛行員-座艙系統模型中添加固定環，通過調整飛行員假人模型，使其雙手握住固定環，如圖10所示。

由于2個手臂同時握緊固定環，因此左、右手的時間-力曲線是一致的，因此僅給出其中一只手的握力曲線，在起飛和降落過程中的握力-時間曲線如圖11所示。

由圖11可見，在飛行員在起飛過程中，手臂握住風擋框固定環的力趨勢與輸入的模擬載荷(圖6)趨勢基本相同。作用力主要分布在91～127 N，最大值206 N，在人體可以承受的握力范圍內，飛行員完全可以承受，不會脫手。模擬過程中同時計算了此時駕駛桿與油門桿在自身慣性力影響下的力值范圍，結果在11～14 N之間，遠小于駕駛桿與油門桿的設計操作力，不會對飛機的駕駛造成誤操作。

4 結 論

通過仿真分析短距起飛的加速度沖擊對飛行員操作力的分析，結果表明：

1) 飛行員在起飛過程中，由于加速度的影響，手臂對油門桿造成的沖擊力最大值為211 N，平均值為150 N，對駕駛桿造成的沖擊力最大值為128 N，平均值為109 N。均超過了油門桿(150 N)和駕駛桿(100 N)的設計操縱力，存在誤操作的可能。因此，飛行員在起飛和降落過程中為避免誤操作，不宜手握操作桿。

2) 對飛行員手握風擋框固定環的模擬，表明該狀態下駕駛桿和油門桿會僅在其自身慣性力影響下受到11～14 N的力值，不可能對飛機的駕駛造成誤操作；且此時飛行員對風擋框固定環的握力在91～127 N，處于人體可以承受的握力范圍之內。