教練機用雙艙被動側桿駕駛交互邏輯研究

韓占朋，楊振聲，黃勇強，譚 磊

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

電傳操縱側桿駕駛正在成為新機飛控設計的趨勢。自空客A320采用側桿操縱后，隨著F-16系列飛機的使用，越來越多的新型飛機都采用了側桿駕駛裝置，如美國 F-35、F-22、B-47，俄羅斯 Su-37、S-37/C-37，法國“陣風”等[1]。

由于側桿實現方式的差異可分為主動、被動兩種方式。與主動側桿相比，被動側桿的最大缺陷在于其缺乏反驅裝置，進而產生人-機交互信息以及主/副駕交互信息的缺失[2]。這也決定了被動側桿間的交聯是松散的，其中以A320、T-50和F-16雙座型為典型代表。而主動側桿由于采用了電氣驅動或電磁驅動能實現雙艙之間的聯動，目前僅有F-35飛機使用主動側桿，屬于單艙駕駛，尚未涉及雙艙之間的交互。隨著被動側桿技術日趨成熟，在型號上使用越來越廣泛，對被動側桿之間的交互邏輯研究變得更加深入。

而國內對于側桿的研究主要集中在側桿裝置的優點、人感系統設計及側桿對飛行品質的影響、主被動側桿的設計等[2-6]。對雙艙飛機尤其是教練機的側桿駕駛交互鮮有提及，本文通過分析國內外側桿飛機的雙艙交互方式，旨在研究教練機適用的前后艙側桿駕駛交互邏輯，以期為雙側桿飛機雙艙交互設計提供參考。

1 國內外現狀

被動側桿雙艙交互以空客A320最為典型。其被動側桿的交聯采用觸覺、視覺及聽覺的方式進行，具體方式如下：

在正副駕駛艙內設置優先級按鍵、權限指示燈及異側操縱指示燈。

1）自動駕駛未接通時

優先級按鍵未按下時，正副駕駛桿的輸出代數和作為桿輸出，疊加的總和不超過單側桿最大偏度產生的指令。雙側均有權限指示燈閃亮。

當有優先級按鍵按下時，另一側的側桿輸出被隔離，同時有紅色箭頭指示操作優先級在按下的一側。如果被隔離的側桿偏離了中心位置，獲取操縱權限的一側有綠色指示燈點亮，直至被隔離側的側桿回中后熄滅。優先級按鍵松開立即解除隔離狀態。

當正副駕駛同時按下優先級按鍵時，最后按下的一側獲取優先權。側桿獲得優先權超過40s后，另一側的側桿被永久隔離，直至被隔離的側桿優先級按鍵被按下，解除永久隔離。

2）自動駕駛接通情況下

優先級按鍵未按下，當側桿偏離中心位置（超過閾值）時自動駕駛儀被自動切斷，同時系統有語音提示及提示燈告警，提示自動駕駛儀已被切斷。

當有優先級按鍵按下時，自動駕駛儀被切斷，同時系統有語音提示及提示燈告警，提示自動駕駛儀已被切斷。

在軍用飛機上，如T-50、F-16及“臺風”雙座型的前后艙側桿亦不聯動，其工作邏輯如下：在后艙駕駛桿上有一個前后艙操縱切換按鈕進行操縱權限的切換，切換時有一個淡化過程，這個過程是混控的，有來自前艙的指令，也有來自后艙的指令。當然也設置了無混控，切換時后艙立即收回權限，這種情況一般在緊急情況下使用。

國內側桿首次在J20上使用，雙艙設計在C919首次使用，目前都尚在驗證試飛中。

2 問題分析

與客機相比，側桿教練機作為培訓飛行學員的專用飛機，采用前后艙設計，前艙視野清晰，操縱方便，由學員主導，后艙教員負責教學及監控。與作戰飛機相比，側桿教練機更專注于教學，由于采用電傳飛行控制系統，飛機的機動性高，具備超音速飛行能力，飛行過載大，對桿位移更加敏感。飛行學員的駕駛經驗、應變能力尚不足以獨立駕駛。

另外根據民航實踐經驗，在進近階段雙側桿輸入易引發飛機撞地、擦機尾、擦翼尖等危險情況，嚴重危及飛行安全[7]。根據雙側桿輸入發生階段分布圖（見圖1）可以看出，雙側桿輸入主要發生在進近階段，這對教練機教學尤為不利。

圖1雙側桿輸入發生階段分布圖

基于以上分析，作為培訓學員的教練機，為保證安全，側桿駕駛交互應保證同一時刻僅有一艙的側桿輸出有效即單艙有效原則。

基于單艙有效原則需解決以下問題：

1）進行操縱權限交接時，飛機的響應是平滑過度且是可控、可預期的，不應存在權限無歸屬狀態。

2）前艙操縱時，后艙教員應能時刻監控前艙學員的操縱，應急狀態下應能迅速收回駕駛權限；

3）應能根據提示或告警確認當前的操縱權限歸屬；

4）前后艙均應能在自動駕駛模態下超控飛機并安全退出或返回自動駕駛模態。

5）任意組合故障不應引起權限歸屬的混淆、不可控或是無歸屬狀態。

3 提出方案

根據以上分析，結合國內外側桿飛機的設計，同樣采用觸覺、視覺及聽覺的方式進行，提出以下方案：

前后艙設置操縱允許按鈕及權限指示燈，并在前艙駕駛桿頭上設置聯合操縱按鈕，交互過程伴有語音提示、下顯顯示相應字符。具體交互方式如下。

3.1 正常交接

系統上電默認前艙操縱有效。當權限交接時，接管方發口令“請求操縱”，交接方回答“你操縱”后接管方按下操縱允許按鈕，相應權限指示燈閃亮，交接方的指示燈熄滅。指示燈顏色及亮度應避免過多吸引飛行員的注意力。按鈕位置及指示燈應便于駕駛員左手操作且具有防誤操作功能。在切換過程中伴有語音提示，“前艙操縱”或“后艙操縱”，下顯應有相應字符顯示。另外，控制律需對兩側桿指令信號進行淡化處理，減小切換瞬態。

3.2 應急交接

任意狀態下，后艙教員可直接通過按壓側桿手柄上的聯合操縱按鈕進行超控。任意狀態下，該按鈕被按下時后艙的側桿操縱指令輸出有效，該切換過程指令信號不進行淡化處理；此時應有語音提示“后艙應急超控”，后艙權限指示燈亮。超控結束后權限返回到之前的所有者，相應指示燈亮，且有語音提示“后艙超控結束，請謹慎操縱”，此時后艙教員應通知前艙“你操縱”。當聯合操縱按鈕保持按下超過40s后，后艙取得操縱權限，直至前艙操縱允許按鈕被按下。全程下顯應有相應字符顯示。

3.3 自駕模態下的切換

在自動駕駛模態下，前后艙均可通過按壓聯合操縱按鈕進行超控或直接操縱駕駛桿（超過閾值），切斷自動駕駛，同時系統有語音提示及提示燈告警。按壓結束或桿回中后自動接通自動駕駛。

3.4 故障處置

可能的故障包括前/后艙操縱允許按鈕故障、前/后艙聯合操縱按鈕故障、前/后權限指示燈故障、語音故障、下顯故障，故障處置及權限歸屬如表1所示。

表1側桿交互故障處置

根據表1所示，任意組合故障下權限歸屬清晰，保證任意時刻單艙有效，滿足設計要求。但同時應注意到前艙操縱允許按鈕故障情況下對駕駛交互影響較大，前艙無法二次獲取權限，而后艙聯合操縱按鈕故障情況下，一鍵超控功能失效。在極端情況下，所有指示狀態的缺失使駕駛員無法確認當前的權限歸屬，僅能通過飛機的響應來判斷，具有潛在的危險性。因此針對上述薄弱環節，設計時可采用多余度管理技術減小這種故障的概率，并在飛行過程中監控各按鈕功能是否正常，且在故障情況下及時提醒駕駛員。

4 優缺點分析

設置操縱允許按鈕及聯合操縱按鈕可向駕駛員提供直接的觸覺提示，根據經驗，駕駛員在飛行過程中注意力一般90%以上放在飛機艙外，而其對艙內的儀表板關注不足10%[8]，因此直觀的觸覺提醒可大大減小飛行員的負擔，避免不必要的注意力分散。

后艙側桿桿頭上的聯合操縱按鈕允許后艙教員一鍵超控，在應急狀態下尤為重要。

另外，權限分割清晰，不存在雙側桿均有效的情況，駕駛員僅根據權限指示燈的亮滅即可判斷出當前權限所有者。

與空客切換邏輯相比，去除了混合控制邏輯，增加了桿頭聯合操縱開關、一鍵超控功能，更強調后艙教員的優先級，利于教學。與作戰飛機相比，雙艙交互更傾向于人機交互體驗，與被動等待權限交接相比，更強調前艙的主動接管。

5 結論

本文通過分析國內外側桿飛機雙艙駕駛交互邏輯，提出一種教練機適用的權限接管方案，指出其應有的設計原則及方案設計。最后對此方案的優缺點進行了分析，以期對同類飛機的設計提供參考，后期尚需駕駛員進一步在環驗證。