直升機駕駛艙可達性仿真分析評估

黃育龍 李正

摘要：隨著直升機駕駛艙技術(shù)的發(fā)展，飛行員對操縱舒適性和飛行安全的要求不斷提升，駕駛艙不僅要滿足常用飛行安全和執(zhí)行任務(wù)的需要，而已，由于布置了多種備用操縱設(shè)備以彌補飛行中單一設(shè)備的故障問題或潛在缺陷，因此會使得駕駛艙空間進一步增大，嚴重影響了飛行員的操縱可達性，該文主要從可達性設(shè)計的角度，對駕駛艙的可達性評估要求和評估方法進行了分析，并采用CATIA軟件的SAFEWORK模塊對駕駛艙的操縱可達性進行了仿真分析，對于直升機駕駛艙的研制和后續(xù)的改型設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直升機;駕駛艙;可達性;虛擬仿真

中圖分類號：TP319? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0247-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

在直升機的整個駕駛飛行過程中，駕駛艙可達性的優(yōu)劣程度會直接影響到飛行員操縱的舒適性和飛行的安全性[1]，當(dāng)飛行員處于緊張或危急狀態(tài)下，如若可達性設(shè)計不合理，會直接導(dǎo)致操縱失敗而影響直升機飛行安全。因此，很有必要對直升機駕駛艙[2]進行可達性仿真分析，以降低因設(shè)計問題而導(dǎo)致事故發(fā)生的概率，提升飛行安全性。

1? 可達性評估要求

1.1 駕駛艙可達性評估范圍

直升機駕駛艙布局需滿足第5百分位～第95百分位的飛行員群體使用，可滿足各任務(wù)剖面巡航飛行舒適性要求，其中駕駛艙幾何尺寸應(yīng)使第50百分位數(shù)（身高1708mm）的飛行員操縱性處于最合適的位置，應(yīng)至少使第5百分位數(shù)（身高1639mm）至第95百分位數(shù)（身高1786mm）的飛行員便于操作。

1.2 駕駛艙操縱性要求

在飛行員操縱直升機時，應(yīng)避免任何誤碰和誤操作。操縱桿的任何動作應(yīng)能在飛行員正常眼位條件下完成，操作按鈕和按鍵應(yīng)在手掌不移動的情況下實現(xiàn)手不離桿的操作，應(yīng)保證握桿和手柄舒適，適宜長時間使用。飛行員需能夠監(jiān)視系統(tǒng)自動工作過程，進行手動操作，且應(yīng)該確保飛行員手動操作的可達性、快速性、準(zhǔn)確性和安全性。

1.3 飛行員人體尺寸分析

飛行員人體尺寸主要是指飛行員以飛行駕駛姿態(tài)位于飛行員座椅上，左手握住總距桿手柄，右手握住周期變距桿手柄，雙腳踩住腳蹬的姿態(tài)尺寸。主要分為手部尺寸和腳部尺寸。

1.3.1 手部空間的可達性

根據(jù)飛行員在座椅上系安全帶的不同情況，將手臂的可達性分為以下3個區(qū)域（見圖1所示）：第1區(qū)為在系緊安全帶的狀況下，且在手臂在自然伸展情況下，手能夠達到和操作的區(qū)域，其范圍半徑應(yīng)≤685mm。第2區(qū)為在系緊安全帶的狀況下，使手臂在最大伸展的情況下，手能夠達到和操作的區(qū)域，其范圍半徑應(yīng)≤720mm。第3區(qū)為不系安全帶的狀況下，并且在手臂在最大伸展的情況下，能夠達到和操作的功能區(qū)域，其范圍半徑為1170mm。

1.3.2 腳部空間的可達性

正駕駛和副駕駛的雙腳主要用于操控腳蹬，其操縱性范圍如圖2所示。

2? 可達性仿真分析

2.1 構(gòu)建駕駛艙評估模型

在滿足正常的直升機視界的要求下，直升機駕駛艙并列式雙駕駛包含有1塊儀表板、中央操縱臺、左右側(cè)操縱臺、頂部操縱臺和2個飛行員座椅。首先，在CATIA軟件[3]中構(gòu)建某直升機駕駛艙結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾以及相關(guān)操控設(shè)備模型，并進行組裝完成。隨后，構(gòu)建5百分位和95百分位的中國人體模型，將虛擬人置于設(shè)計眼位點，進行手部和腳部的可達性仿真評估。

2.1.1 操縱系統(tǒng)可達性

駕駛艙的操縱系統(tǒng)主要是指總距桿、周期變距桿和腳蹬，因此飛行員以飛行駕駛姿態(tài)位于駕駛座椅上，左手握住總距桿手柄，右手握住周期變距桿，雙腳抵住腳蹬。

（1）總距桿。總距桿通常由飛行員左手握住抬放操作來實現(xiàn)總距桿行程。考慮到總距桿操縱行程中，總距桿手柄位于低距位時，總距桿手柄距飛行員肩關(guān)節(jié)距離最遠，即對飛行員左手可達性進行評估。從圖3可以看出，低距位的總距桿手柄能使95百分位飛行員左手輕松抵達握住，而對于5百分位飛行員，需要身體稍做下傾或側(cè)斜才能握住低距位總距桿手柄，因此需適當(dāng)抬高高總距桿的安裝位置。（2）周期變距桿。周期變距桿由飛行員右手握住，當(dāng)位于行程前限位置時，周期變距桿手柄距飛行員肩關(guān)節(jié)距離最遠，因此，采用5百分位人體模型握住周期變距桿手柄，分別抵至周期變距桿行程前限位置，從圖4可知，5百分位飛行員右手均能輕松握住周期變距桿手柄，可見周期變距桿設(shè)計滿足飛行員可達性要求。（3）腳蹬。腳蹬需由飛行員雙腳踩踏，通過踩踏來控制直升機偏航。在腳蹬行程過程中，前極限位置的腳蹬會使飛行員腳掌離髖關(guān)節(jié)距離最遠，即對飛行員腳可達性要求最高，由圖4可知，5百分位飛行員腳蹬均能踩踏位于行程前限位置的腳蹬，滿足可達性要求。

2.1.2 儀表板可達性

通過模擬飛行員操作儀表板上的顯控器件，評估儀表板可達性。由圖3～圖5可知，95百分位飛行員右手食指可以在正常坐姿狀態(tài)下點按儀表板上的注意燈，而對于5百分位飛行員，需要右傾或前傾上身才能觸及主注意燈，因此儀表板的設(shè)計應(yīng)該使得板面位置前移30mm。

2.1.3 操縱臺的可達性

操縱臺一般包括中央操縱臺、左側(cè)操縱臺、右側(cè)操縱臺和頂部操縱臺。中央操縱臺上的控制開關(guān)件通常由副駕駛右手操作或主駕駛左手操作，由于中央操縱臺后部控制面板上開關(guān)距離飛行員肩關(guān)節(jié)最遠，故分析飛行員食指對此部位開關(guān)的可達性。從圖5可知，5百分位副駕駛右手食指可以觸及中央操縱臺燃油控制面板上的撥動開關(guān)，故滿足可達性要求，由于正副駕駛員沿中心軸對稱，同理，主駕駛飛行員同樣滿足。

左側(cè)操縱臺由副駕駛員左手食指操縱、右側(cè)操縱臺由主駕駛右手食指操縱，結(jié)合圖3～圖5可知，5百分位副駕駛左手食指可以觸及左側(cè)操縱臺全部操縱設(shè)備，5百分位的正駕駛員右手食指可以觸及右側(cè)操縱臺全部操縱設(shè)備，因此滿足可達性要求。

頂部操縱臺上的控制開關(guān)件通常由副駕駛右手操作或主駕駛左手操作。以左側(cè)飛行員為例，分析5百分位飛行員右手食指對頂部操縱臺上控制開關(guān)的可達性。結(jié)合圖3～圖5可以看出，左飛行員右手食指可以觸及頂部操縱臺上的控制開關(guān)，甚至是斷路器板上的控制鍵，因此滿足可達性要求。由于正副駕駛員延中心軸對稱，同理，主駕駛飛行員同樣滿足可達性要求。

3 結(jié)論

直升機總體布置是不斷設(shè)計、評估的反復(fù)迭代過程，本文采用人機工效學(xué)理論對直升機駕駛艙的可達性分析評估進行了探索，制定了可達性評估要求和方法，并采用CATIA軟件在方案階段對直升機駕駛艙可達性進行了仿真分析評估，方便提前暴露設(shè)計問題，并進行完善設(shè)計方案，對于駕駛艙研制具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1] 杜俊敏.人為因素與飛行安全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[2] 馬智.飛機駕駛艙人機一體化設(shè)計方法研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 王東勃，郭寧生，崔源潮，等.基于駕駛適應(yīng)性的運輸機駕駛艙CATIA人因工程分析[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2010（3）.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】