兼顧有人/無人模式的eVTOL駕駛艙設計研究

隨著世界人口和人均汽車保有量的增加，中大型城市地面交通情況持續緊張。傳統的修建地下隧道/高架橋等方式由于邊際效應遞減難以有效解決交通擁堵問題，因此迫切需要開辟空中交通路線。近年來各國積極推進城市空中交通（UAM）概念落地，大力發展“低空經濟”戰略性新興產業，相關利好政策也在不斷推出。在城市空中交通領域，eVTOL（電動垂直起降飛行器）具有廣泛的應用前景。

自2010年，美國及歐洲等國著手探索eVTOL，并逐漸衍生出了多旋翼、復合翼和傾轉旋翼等多樣化平臺構型。近年來，新能源產業飛速發展，“三電”（電池、電機和電控）技術不斷取得突破，電動垂直起降飛行器逐漸具備軍用/商用價值。在巨大的市場紅利驅使下，老牌航空企業、新興航空公司、汽車公司紛紛布局eVTOL研發，并逐漸涌現出以美國Joby、Archer，德國Volocopter等公司為代表的獨角獸企業。其中，傾轉旋翼eVTOL具有高速、舒適、大航程的特點，在交通運輸方面具有顯著優勢，Joby、Archer、沃飛航空等公司推出了一批有代表意義的傾轉旋翼eVTOL全尺寸驗證機，客觀上反映了eVTOL的發展方向。

傾轉旋翼eVTOL基本情況及試飛進展

2020年7月，Joby公司研制的第一架全尺寸預生產原型機JAS4-2開始進行飛行測試，相繼完成垂直飛行、過渡飛行、巡航飛行，以及最大飛行速度的驗證。Joby公司試飛員用第一架2.0預生產原型機上進行了懸停檢查飛行，但所有的過渡飛行都是由地面控制站遠程駕駛的，駕駛艙沒有試飛員。隨著技術成熟度與飛行員操作能力的提升，越來越多的飛行員開始深入參與飛行測試活動。

2022年11月，美國Archer公司研制的雙座Maker驗證機以地面站遠程控制方式，成功完成了首次向全翼飛行的過渡，后續進行了一系列的飛行測試，為Midnight四座eVTOL空中出租車項目取證提供技術驗證。

在傾轉旋翼eVTOL研制過程中，以無人模式開始驗證飛行是一種常見的方法。基于降低風險、逐步提升的思路，第一步通過無人駕駛試飛驗證，提升技術成熟度、飛行員操作能力；第二步開展有人駕駛飛行，在完成飛行員培訓、確定的相關飛行包線基礎上進一步進行試飛。

因此，傾轉旋翼eVTOL往往需要具備有人和無人雙模控制能力，對駕駛艙設計提出了新的要求。

駕駛艙人機工效設計因素分析

傾轉旋翼eVTOL以直升機模式垂直起降、以固定翼模式航線飛行。直升機/固定翼模式標準規范對駕駛員人體尺寸、駕駛艙布局、內外視野、操縱裝置等方面存在不同的要求，尤其是外部視野、儀表顯示、操縱控制等方面。傾轉旋翼eVTOL駕駛艙在符合直升機/固定翼模式標準、規范的前提下，還應滿足無人駕駛相關的要求。

外部視野

外部視野是指有人模式下駕駛員能夠看到的駕駛艙外部區域，對駕駛員獲取外部環境信息、安全飛行具有非常重要的作用。無人模式對駕駛艙外部視野沒有明確要求。

外部視野是傾轉旋翼eVTOL駕駛艙設計過程中的重要一環。以傾轉旋翼eVTOL使用需求為牽引，結合國內外相關研制經驗，分析駕駛員在不同飛行階段（垂直起降、過渡飛行、巡航飛行、轉換飛行等）對外部視野需求，綜合考慮不同模式對應的適航規章、國標等設計要求，通過組合、裁剪等方式建立適用于傾轉旋翼eVTOL駕駛艙外部視野要求，開展駕駛艙外部視野設計。

對于常見的并列雙駕駛構型駕駛艙，根據AC 29.773等適航規章的要求，駕駛員（以右駕駛員為例）從設計眼位可得到不受妨礙的最小視角直線圖見下圖，紅色區域為直升機模式外視野要求，綠色區域為固定翼模式外視野要求。通過對比分析，直升機模式對前方/下方外部視野有更高的需求，傾轉旋翼eVTOL駕駛艙設計應兼顧兩種模式對外部視野的要求。

儀表顯示

傾轉旋翼eVTOL相對于傳統飛行器構型復雜，飛行時需要駕駛員監控的參數較多。傳統飛行器儀表顯示參數主要有：

（1）運動類信息，飛行器高度、高度變化率、速度、過載；俯仰角、橫滾角、航向角；攻角、側滑角等；

（2）狀態類信息：飛行器各系統所處的工作狀態和工作模式；

（3）導航類信息，導航方式、經緯度、飛行計劃、飛行航路、航路點；

（4）告警類、應急處理類信息，故障告警及故障級別，參數告警（極限速度、極限過載、剩余油量等）、狀態告警（火警、空速管結冰等）；

（5）健康類信息，飛機各系統健康狀況；

（6）地理環境類信息，溫度、結冰程度、風速、風向、數字地圖等。

在滿足以上儀表顯示參數的情況下，有人模式下傾轉旋翼eVTOL駕駛艙還需要顯示飛行模式、傾轉角度、傾轉同步度、過渡走廊、各旋翼轉速等特有的參數。無人模式下，地面站還需要顯示鏈路狀態、任務規劃等參數。

操縱控制

傾轉旋翼eVTOL相對于傳統飛行器操縱復雜，對于駕駛員操縱控制能力提出了很高的要求。以一種典型操作程序為例，首先以直升機模式垂直起飛，達到一定飛行高度、速度后開始操作傾轉機構，向固定翼模式過渡，期間需要密切關注飛行參數，然后操控升力旋翼停轉，以固定翼模式巡航飛行；返航時，先要減速，然后操控升力旋翼增加轉速至100%，達到一定高度、速度后開始操作傾轉機構，向直升機模式轉換。緊急情況下，機組還需要根據所處的飛行模式采取不同的處置程序。

有人模式下，傾轉旋翼eVTOL駕駛艙應采用統一控制概念，使用一套操縱系統實現傾轉旋翼eVTOL所有飛行階段的操縱控制，降低駕駛員認知負荷，提升飛行效率。

考慮無人模式操控需求，傾轉旋翼eVTOL駕駛艙還需設置有人/無人模式轉換開關，用于切換有人/無人模式；根據無人模式飛行過程中控制設備使用需求，將駕駛艙中起落架、滅火、燃油、液壓、發動機等系統開關統一采用雙模控制設計，既能通過物理開關操縱，也具備遠程操控能力。

總結與展望

現階段傾轉旋翼eVTOL存在著顯示信息繁雜、操縱控制復雜、駕駛員認知負荷高等問題，安全性水平還有待進一步提高。隨著傾轉旋翼eVTOL的研究日漸成熟、試飛工作不斷取得進展、性能不斷完善，幾款代表機型也將取證并交付使用，使用范圍和任務性質將進一步擴展，以更高效、更實用、更安全的飛行擴大空中出行市場。

未來人工智能算法改進以及計算能力的提升，推動智能人機交互、輔助決策、自主控制等智能化技術在駕駛艙人機系統中的應用，可以進一步降低駕駛員工作負荷，將駕駛員工作重心集中在狀態監控、綜合決策方面，有效提升傾轉旋翼eVTOL人機工效與安全性水平。