飛行員心電和周圍溫度采集記錄系統設計

曹煜國 趙利利 封衛忠

摘要：戰斗機座艙空氣調節系統具有增壓、冷卻、加溫、通風等功能，舒適的座艙環境，能夠提高飛行員工作效率，降低飛行疲勞，過高或過低的座艙溫度會使飛行員產生應激反應，導致體表溫度和心電變化，嚴重的會影響飛行安全。國軍標對飛行員座艙溫度、壓力控制有嚴格要求，之前簡單測量座艙平均溫度的方法已不能全面反映系統的功能和性能，故設計集成周圍溫度、體表溫度和心電的連體服生理采集記錄系統，能夠更加準確地反映飛行員周圍溫度場。

關鍵詞：空氣調節系統;心電;周圍溫度

0? ? 引言

戰斗機座艙空氣調節系統主要作用是為座艙營造一個舒適的溫度環境，保證飛行員的效率，使飛行員全身心投入飛機操縱和任務執行，進而提高作戰效率。飛機上絕大多數的座艙空氣調節系統組成包括引氣子系統、預冷子系統、制冷子系統、座艙和設備艙供氣子系統。從發動機引出高溫、高壓氣體，經降溫、降壓轉變為適宜的空氣供入座艙，既能夠將座艙溫度調節到人體感覺到舒適的范圍內，減少人體疲勞，又能夠進行座艙換氣，在維持座艙壓力穩定的前提下，有足夠的新鮮空氣供飛行員呼吸。

關于座艙空氣調節系統的設計，先期需要進行詳細仿真計算和大量地面試驗，但依然無法取代整機地面試驗和飛行試驗試飛。空氣調節系統在設計同時需要對各子系統進行大量的仿真分析，還需要完成座艙流量分配、設備艙流量分配等試驗。座艙空調系統引氣子系統氣源來自發動機，飛行高度以及發動機狀態直接影響引氣流量、溫度和壓力等;預冷子系統中冷卻介質來自飛行中沖壓空氣和溫度變化的燃油，飛行高度和速度影響沖壓空氣的溫度和流量，燃油溫度受到地面大氣溫度和飛行狀態的影響;控制系統的電源來自飛機發電機，供電品質的好壞直接影響飛機電源的品質。這些都與地面有較大的區別，因此需要進行詳細的空中試飛試驗和地面試驗。

國軍標對戰斗機空氣調節系統提出了詳細的要求，不論座艙是否有增壓功能，都應該有冷卻、加溫和通風能力，以滿足飛機機組和座艙乘員的生理要求，應能保持駕駛員周圍溫度在15～27 ℃的范圍，同時對駕駛艙平均溫度有相應要求。前期，戰斗機座艙內溫度場的測量通常采用簡單的溫度分布測量方法，在座艙前后、左右加裝溫度傳感器，通過屏蔽線將傳感器信號送至設備艙采集設備，由于戰斗機內座艙布局復雜，空間有限，過多地布置傳感器會影響座艙布置和飛行員操縱飛機，有些艙內部位因存在干擾，無法布置溫度傳感器。因此，座艙平均溫度場存在測量不方便的實際缺陷，也不能真實全面地反映飛行員周圍溫度場。

適宜的座艙平均溫度，能夠保證飛行員舒適地操縱飛機。多項研究表明，溫度過高或過低會使飛行員產生熱或冷應激反應，導致飛行員反應能力下降，容易產生疲勞，該問題在長航時飛行時尤為突出。國軍標中對因為座艙溫度冷熱變化導致飛行員心電變化有詳細要求。針對飛行員心電監測，美國和俄羅斯都有成熟的案例，俄羅斯研發的小型化多功能生理監測儀“多項式”可對飛行員、航天員進行一系列呼吸循環生理監測，包括動態心電圖、超聲心動圖、靜脈波動圖、肢體動脈脈搏描記圖、呼吸運動圖等。針對試飛中飛行員周圍溫度和心電測試需求，本文提出了一種新的手段和方法來進行測量。

1? ? 設計方案

飛行員心電和周圍溫度采集記錄系統由六部分組成，包括連體導線服裝、周圍溫度傳感器、體表溫度傳感器、心電傳感器、導線連接和采集/記錄模塊。系統組成原理框圖如圖1所示，系統原理圖如圖2所示。

連體服選取10%、50%、90%三種不同百分比體型的飛行員尺寸，定做三種不同尺寸的衣服。周圍溫度傳感器集成在衣服上，衣服腰部預留抗荷管路引出通道，設置記錄系統腰部固定鎖扣。

周圍溫度采集采用鉑電阻溫度傳感器，數量共9個，測量范圍為-40～60 ℃，其中8個溫度傳感器分別加裝在衣服上左肩、右肩、胸部、腹部、左膝、右膝、左踝和右踝，頭部溫度傳感器通過導線衣領引出，在飛行中固定到飛行員頭部。

心電傳感器采用3通道CM5導聯，R波間隔法檢出，心電傳感器從連體服衣領附近引出。

體表溫度傳感器的測量范圍為34～38 ℃，精度不大于

±0.2 ℃，該傳感器從連體服衣領附近引出。

采集/記錄模塊作為采集記錄系統的核心，主要功能是與連體導線服進行穩定連接，采集、處理前端傳感器傳輸的溫度和心電信號，并保存。采集/記錄模塊包括采集接口、Flash存儲器、顯示/供電子模塊、控制子模塊和時鐘管理等。

2? ? 試驗結果及分析

2.1? ? 地面檢測試驗

采集記錄系統研制完成后，首先進行常溫環境試驗、低溫環境試驗、高溫環境試驗、采樣率測試、精度測試、電池使用時長摸底試驗、抗沖擊試驗、振動試驗和電磁兼容試驗。

周圍溫度傳感器溫度試驗選擇包括常溫（20 ℃）、高溫（70 ℃）、低溫（-40 ℃）試驗，試驗前將系統放置在各個溫度環境中，保持衣服平展，周圍溫度傳感器外露，然后打開采集器電源和記錄開關，工作15 min，檢查電池容量顯示是否正常，下載數據檢查采集數據精度和采樣率是否正常。

心電采集和體表溫度分別在夏季高場溫（大氣場溫>38 ℃）和冬季低場溫（大氣場溫<-35 ℃）室外進行，試驗人員穿著連體服，貼好心電和體表溫度采集傳感器，然后打開采集器電源和記錄開關，工作15 min，下載數據檢查采集數據精度和采樣率是否正常。

在常溫、低溫、高溫條件下，將連體服放置在各個溫度環境中，保持衣服平展，周圍溫度傳感器外露，然后打開采集器電源和記錄開關，使采集器分別工作至電池耗盡，檢查不同環境下電池工作時間。

振動試驗、抗沖擊試驗和電磁兼容性試驗在正常大氣下進行，試驗前打開采集記錄開關，在沖擊環境和電磁環境下進行試驗，試驗顯示系統工作正常，顯示正確，下載數據處理后采集數據精度和采樣率正常。

2.2? ? 飛行試驗

在完成地面試驗驗收后進行機上飛行驗證試驗：（1）試驗前完成對系統充電、調試、授時等一系列準備工作;（2）飛行員進座艙前穿好連體服，將心電片和體表溫度傳感器貼在身上，周圍溫度傳感器外露，打開采集記錄系統電源和采集開關;（3）飛行結束后，關閉電源，脫下連體服;（4）實驗室下載數據，后端處理分析。

測試和記錄數據如圖3、圖4所示。

以上測試結果和理論分析、實際情況相符，說明該采集記錄系統可以用于飛行員周圍溫度和心電測量。

3? ? 結語

相比以前在戰斗機座艙空間內加裝溫度傳感器，采用在飛行員連體服上布置溫度測量點測量周圍溫度能夠盡可能反映飛行員的冷熱感覺，客觀真實地反映飛行員周圍的溫度場分布規律。

獨立的溫度采集測量系統，省去了與飛機機載數據系統之間的交聯，減少了在飛機狹小艙內布置測點的復雜程度，不影響飛行員操縱飛機，并實現了多型飛機通用化應用，可以在各型飛行上使用，減少了飛機測試改裝的難度，并降低了成本，加快了試驗進度。

[參考文獻]

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[2] 飛機環境控制系統通用規范：GJB 1193—1991[S].

收稿日期：2020-01-14

作者簡介：曹煜國（1986—），男，山西朔州人，工程師，主要從事飛機環控與熱管理試飛技術研究工作。

趙利利（1987—），女，寧夏銀川人，工程師，主要從事飛機環境控制系統的試飛研究工作。