直升机驾驶舱可达性仿真分析评估

黄育龙 李正

摘要：随着直升机驾驶舱技术的发展，飞行员对操纵舒适性和飞行安全的要求不断提升，驾驶舱不仅要满足常用飞行安全和执行任务的需要，而已，由于布置了多种备用操纵设备以弥补飞行中单一设备的故障问题或潜在缺陷，因此会使得驾驶舱空间进一步增大，严重影响了飞行员的操纵可达性，该文主要从可达性设计的角度，对驾驶舱的可达性评估要求和评估方法进行了分析，并采用CATIA软件的SAFEWORK模块对驾驶舱的操纵可达性进行了仿真分析，对于直升机驾驶舱的研制和后续的改型设计具有一定的指导意义。

关键词：直升机;驾驶舱;可达性;虚拟仿真

中图分类号：TP319        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）23-0247-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

在直升机的整个驾驶飞行过程中，驾驶舱可达性的优劣程度会直接影响到飞行员操纵的舒适性和飞行的安全性[1]，当飞行員处于紧张或危急状态下，如若可达性设计不合理，会直接导致操纵失败而影响直升机飞行安全。因此，很有必要对直升机驾驶舱[2]进行可达性仿真分析，以降低因设计问题而导致事故发生的概率，提升飞行安全性。

1  可达性评估要求

1.1 驾驶舱可达性评估范围

直升机驾驶舱布局需满足第5百分位～第95百分位的飞行员群体使用，可满足各任务剖面巡航飞行舒适性要求，其中驾驶舱几何尺寸应使第50百分位数（身高1708mm）的飞行员操纵性处于最合适的位置，应至少使第5百分位数（身高1639mm）至第95百分位数（身高1786mm）的飞行员便于操作。

1.2 驾驶舱操纵性要求

在飞行员操纵直升机时，应避免任何误碰和误操作。操纵杆的任何动作应能在飞行员正常眼位条件下完成，操作按钮和按键应在手掌不移动的情况下实现手不离杆的操作，应保证握杆和手柄舒适，适宜长时间使用。飞行员需能够监视系统自动工作过程，进行手动操作，且应该确保飞行员手动操作的可达性、快速性、准确性和安全性。

1.3 飞行员人体尺寸分析

飞行员人体尺寸主要是指飞行员以飞行驾驶姿态位于飞行员座椅上，左手握住总距杆手柄，右手握住周期变距杆手柄，双脚踩住脚蹬的姿态尺寸。主要分为手部尺寸和脚部尺寸。

1.3.1 手部空间的可达性

根据飞行员在座椅上系安全带的不同情况，将手臂的可达性分为以下3个区域（见图1所示）：第1区为在系紧安全带的状况下，且在手臂在自然伸展情况下，手能够达到和操作的区域，其范围半径应≤685mm。第2区为在系紧安全带的状况下，使手臂在最大伸展的情况下，手能够达到和操作的区域，其范围半径应≤720mm。第3区为不系安全带的状况下，并且在手臂在最大伸展的情况下，能够达到和操作的功能区域，其范围半径为1170mm。

1.3.2 脚部空间的可达性

正驾驶和副驾驶的双脚主要用于操控脚蹬，其操纵性范围如图2所示。

2  可达性仿真分析

2.1 构建驾驶舱评估模型

在满足正常的直升机视界的要求下，直升机驾驶舱并列式双驾驶包含有1块仪表板、中央操纵台、左右侧操纵台、顶部操纵台和2个飞行员座椅。首先，在CATIA软件[3]中构建某直升机驾驶舱结构、内饰以及相关操控设备模型，并进行组装完成。随后，构建5百分位和95百分位的中国人体模型，将虚拟人置于设计眼位点，进行手部和脚部的可达性仿真评估。

2.1.1 操纵系统可达性

驾驶舱的操纵系统主要是指总距杆、周期变距杆和脚蹬，因此飞行员以飞行驾驶姿态位于驾驶座椅上，左手握住总距杆手柄，右手握住周期变距杆，双脚抵住脚蹬。

（1）总距杆。总距杆通常由飞行员左手握住抬放操作来实现总距杆行程。考虑到总距杆操纵行程中，总距杆手柄位于低距位时，总距杆手柄距飞行员肩关节距离最远，即对飞行员左手可达性进行评估。从图3可以看出，低距位的总距杆手柄能使95百分位飞行员左手轻松抵达握住，而对于5百分位飞行员，需要身体稍做下倾或侧斜才能握住低距位总距杆手柄，因此需适当抬高高总距杆的安装位置。（2）周期变距杆。周期变距杆由飞行员右手握住，当位于行程前限位置时，周期变距杆手柄距飞行员肩关节距离最远，因此，采用5百分位人体模型握住周期变距杆手柄，分别抵至周期变距杆行程前限位置，从图4可知，5百分位飞行员右手均能轻松握住周期变距杆手柄，可见周期变距杆设计满足飞行员可达性要求。（3）脚蹬。脚蹬需由飞行员双脚踩踏，通过踩踏来控制直升机偏航。在脚蹬行程过程中，前极限位置的脚蹬会使飞行员脚掌离髋关节距离最远，即对飞行员脚可达性要求最高，由图4可知，5百分位飞行员脚蹬均能踩踏位于行程前限位置的脚蹬，满足可达性要求。

2.1.2 仪表板可达性

通过模拟飞行员操作仪表板上的显控器件，评估仪表板可达性。由图3～图5可知，95百分位飞行员右手食指可以在正常坐姿状态下点按仪表板上的注意灯，而对于5百分位飞行员，需要右倾或前倾上身才能触及主注意灯，因此仪表板的设计应该使得板面位置前移30mm。

2.1.3 操纵台的可达性

操纵台一般包括中央操纵台、左侧操纵台、右侧操纵台和顶部操纵台。中央操纵台上的控制开关件通常由副驾驶右手操作或主驾驶左手操作，由于中央操纵台后部控制面板上开关距离飞行员肩关节最远，故分析飞行员食指对此部位开关的可达性。从图5可知，5百分位副驾驶右手食指可以触及中央操纵台燃油控制面板上的拨动开关，故满足可达性要求，由于正副驾驶员沿中心轴对称，同理，主驾驶飞行员同样满足。

左侧操纵台由副驾驶员左手食指操纵、右侧操纵台由主驾驶右手食指操纵，结合图3～图5可知，5百分位副驾驶左手食指可以触及左侧操纵台全部操纵设备，5百分位的正驾驶员右手食指可以触及右侧操纵台全部操纵设备，因此满足可达性要求。

顶部操纵台上的控制开关件通常由副驾驶右手操作或主驾驶左手操作。以左侧飞行员为例，分析5百分位飞行员右手食指对顶部操纵台上控制开关的可达性。结合图3～图5可以看出，左飞行员右手食指可以触及顶部操纵台上的控制开关，甚至是断路器板上的控制键，因此满足可达性要求。由于正副驾驶员延中心轴对称，同理，主驾驶飞行员同样满足可达性要求。

3 结论

直升机总体布置是不断设计、评估的反复迭代过程，本文采用人机工效学理论对直升机驾驶舱的可达性分析评估进行了探索，制定了可达性评估要求和方法，并采用CATIA软件在方案阶段对直升机驾驶舱可达性进行了仿真分析评估，方便提前暴露设计问题，并进行完善设计方案，对于驾驶舱研制具有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 杜俊敏.人为因素与飞行安全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.

[2] 马智.飞机驾驶舱人机一体化设计方法研究[D].西北工业大学，2014.

[3] 王东勃，郭宁生，崔源潮，等.基于驾驶适应性的运输机驾驶舱CATIA人因工程分析[J].机械科学与技术，2010（3）.

【通联编辑：朱宝贵】