側桿空間安裝位置影響分析

趙翔　張文星

摘? 要：側桿系統的安裝與設置對飛行安全來說非常重要，探究了側桿系統空間優勢、人工功效考慮、具體安裝位置。研究結果對側桿的設計及試驗有一定的參考價值。

關鍵詞：側桿;人機工效;人感特性

中圖分類號：V241.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0067-02

Abstract： The installation and setting of the side bar system is very important for flight safety. The space advantage， manual efficiency consideration and specific installation position of the side bar system are explored. The research results have a certain reference value for the design and test of the side bar.

Keywords： side bar; ergonomics; human perception

1 概述

20世紀70年代，F-16飛機首先采用了電傳操縱系統和側桿駕駛系統。側桿系統一般來說包括駕駛桿、手柄、固定基座和臂托四個部分。隨著電傳操縱技術的日臻成熟和不斷應用， 首次采用電傳操縱系統和側桿的軍機F-16以及民機A320，帶來了各自領域內操縱方式的變革，使側桿操縱在國外第三、第四代戰斗機及民用飛機上得到了廣泛應用。

使用側桿操縱的優勢非常多，但是由于側桿和中央桿操縱特性上有很大的差別，如果側桿的安裝與設置并不理想，或是飛行員對側桿的操縱特性不了解、不適應，可能會導致災難性的后果。

2 側桿系統的空間優勢

使用側桿系統代替中央桿后，駕駛桿空間位置的變更帶來了一系列的好處。傳統的中央駕駛桿位于飛行員的雙腿之間，靠飛行員推、拉、按、壓形成的桿位移來實現對飛機的操縱控制。由于現在使用的中央桿位移行程比較大，飛行員操縱時就要占用很大的前部空間，而且也拉大了飛行員和儀表板之間的距離，而且對飛行員正常操縱正前方控制板（UFCP）、多功能顯示器周邊鍵（MFDOSS）等形成障礙。去掉中央桿后，設計師就能把飛行員眼位參照點（ERP）設在最佳眼位。從而擴大艙外視野，再加上可以將座椅參考點（SRP）前移，控制參考點（GRP）也會前移，排除了飛行員前方的行動障礙，無疑會大大改善前方儀表板的可視性，方便飛行員對前方控制器的飛行操縱。

3 側桿系統安裝位置的人工功效考慮

空間位置的變更同時帶來了人機工效上的問題，側桿相較于中央桿，更容易出現縱橫通道耦合的問題，所以當操縱手柄來控制某個軸向的飛機運動時，手柄和駕駛桿以及臂托的結構應該滿足兩個要求，一是手柄的造型一定要以固定手位構型來幫助飛行員識別出受控的軸向;二是必須可以讓飛行員將純凈控制指令輸入到每個軸向，同時將其他軸向的意外輸入減至最少，減小縱橫耦合。側桿系統安裝表現出如下特點：通常安裝在座艙右側的控制臺上;具備獨立調節機制;中立位軸線可以按照飛行員個人喜好相對于臂托進行調整，如圖2所示。

側桿操縱的舒適程度直接影響飛行員的操縱，進而影響了飛行品質，而舒適程度的根本首先就體現在駕駛桿具體安放位置上，為了兼顧縱、橫兩通道的操縱，駕駛桿要安裝在駕駛員操縱駕駛桿時，手臂發力最有效的位置。

國外在相關方面主要研究了駕駛桿的位置對推桿和拉桿的影響，Lockenour在AFFDL-TR-78-171的研究中指出：“…一個人的最大力量是左右不對稱的，并且推桿和拉桿的能力相差大約一倍，…在第5和第95個百分位的男性力量相差達三倍…當然，駕駛員在拉桿位置以給定的力緊握駕駛桿會感到吃力。”

圖2說明了側桿在駕駛艙人機工效中的各個參考點關系，相關研究表明，在考慮大多數飛行員能力的情況下，將側桿布置在不同的位置，飛行員所能施加的最大力也不同。側桿只是一個信號發生器，并沒有感受到翼面實際傳來的力，所以桿力不用和駕駛員能施加的最大力持平，但手臂在不同的情況下，能施加的最大力也不同，這些因素就為我們在設計側桿位置、中立位時，提供參考。

4 側桿系統具體安裝位置的確定

一般情況下，要確定側桿的具體安裝位置，我們需要綜合考慮座艙布局，相關試驗研究表明人的推、拉桿能力和左右壓桿能力最好的區域，是桿位置相對座椅參考點在15.5～18.25英寸之間，所以最好將側桿放在此區域。

操縱側桿時，一定要和臂托配合使用。側桿的臂托包括圖3所示的支撐架和固定基座。臂托通常安裝在座艙右側控制臺上，具備獨立的調節機制，允許根據任務和飛行員體態進行調整。臂托必須順應人體操縱時的關聯性運動并提供加速度分離和觸覺參照，對側桿的操縱來說相當重要。當飛行員前臂移動時，支撐架需要在固定基座上相應于飛行員前臂做小范圍內的平面隨動。

F16原型機采用的腕桿及肘桿結合的方式，資料顯示飛行員評述較差，飛完高過載機動動作后腕部及手臂會有兩道淤青，被戲稱為“通過看完成動作后的淤青程度可以猜出完成的機動”，影響動作完成質量。研發F22時，對臂托方面做出了改進，增大了支撐面的表面積，飛行員操縱時小臂的舒適度增加了很多。F35及人機工效方面較為先進的陣風均采用了曲面的支撐面，資料顯示飛行員反饋感覺舒適，完成機動動作時較協調。通過研究發現，可能的情況下增大臂托與小臂的接觸面積，用弧形的臂托限制小臂橫向操縱時的位移，在實際飛行時會取得更好的效果。

5 結束語

側桿人機工效影響因素分析是進行側桿操縱飛行品質研究的基礎，有重要的研究價值。本文主要從側桿的人機工效方面著手，通過分析國外的研究成果，汲取其長期的成功使用經驗，對側桿系統空間優勢、人工功效考慮、具體安裝位置的確定三個方面進行了探討，為后續的側桿改進和使用提供了參考。

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