李藝文,賈永翠,任戰(zhàn)鵬

(1.陸軍航空兵學(xué)院,北京 101123;2.陸航研究所,北京 101100)

0 引言

目前,國(guó)內(nèi)直升機(jī)數(shù)量大、機(jī)型多,并且呈現(xiàn)“新舊并行”的局面。這些不同機(jī)型、不同研制年代、不同用途的各型直升機(jī)的駕駛艙儀表也體現(xiàn)了直升機(jī)發(fā)展的各階段航空電子設(shè)備和技術(shù)的一些特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代直升機(jī)上廣泛使用綜合程度較高的多功能儀表和顯示器。但是這些設(shè)備普遍利用機(jī)載總線進(jìn)行信息傳遞和共享,并且通常采用集中供電方式,一旦電源或信號(hào)傳輸、顯示等方面出現(xiàn)故障,駕駛員將喪失飛行所需參數(shù)。為此,直升機(jī)上都要求安裝有與機(jī)上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)急備份儀表。當(dāng)機(jī)上大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合顯示系統(tǒng)等部分或全部失效時(shí),應(yīng)急備份儀表能為駕駛員提供一組對(duì)飛行安全必不可少的,包括航向、姿態(tài)、空速、高度等參數(shù)的信息顯示,幫助飛行人員安全著陸。而應(yīng)急備份儀表作為駕駛艙儀表密不可分的一個(gè)重要組成部分,也呈現(xiàn)了航空儀表的發(fā)展特點(diǎn);并且應(yīng)急備份儀表在不同直升機(jī)上的種類、結(jié)構(gòu)和安裝分布都不相同。本文針對(duì)現(xiàn)代直升機(jī)上的應(yīng)急備份儀表,主要從發(fā)展現(xiàn)狀、使用時(shí)機(jī)和存在問(wèn)題分析三個(gè)方面展開(kāi)論述。

1 直升機(jī)應(yīng)急備份儀表的現(xiàn)狀

我國(guó)直升機(jī)機(jī)型多,跨越年代周期長(zhǎng),因此各型直升機(jī)上的應(yīng)急備份儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝分布也囊括了傳統(tǒng)的分布式機(jī)電儀表和現(xiàn)代的綜合化、數(shù)字化的綜合應(yīng)急儀表,主要有三個(gè)階段:左右互為備份的分布式機(jī)電儀表,單體分布的應(yīng)急備份儀表,綜合化、智能化應(yīng)急備份儀表。

1.1 左右互為備份的分布式機(jī)電儀表

早期的直升機(jī)駕駛艙屬于并列式設(shè)計(jì),儀表為機(jī)械式、磁電式和機(jī)電伺服式組合儀表,功能相對(duì)獨(dú)立、單一。主要飛行儀表基本上是雙套的、互為備份,集中在駕駛艙左、右兩側(cè)主儀表板(正副駕駛員的正前方儀表板)上。座艙儀表結(jié)構(gòu)布局為典型的空分制結(jié)構(gòu)。而且,信號(hào)傳輸也相對(duì)單一,基本采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜傳輸方式,當(dāng)其中某個(gè)儀表故障時(shí),故障影響范圍相對(duì)較小,機(jī)組飛行人員判斷和處置相對(duì)簡(jiǎn)單。此外,傳統(tǒng)儀表的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,顯示清晰,指針-刻度盤(pán)和指標(biāo)-刻度帶的顯示還能顯示被測(cè)參數(shù)的變化趨勢(shì);缺點(diǎn)是儀表的組成器件間存在影響指示精度,易受振動(dòng)、沖擊的影響,噪音大,在低亮度條件下需要單獨(dú)照明,不易實(shí)現(xiàn)綜合顯示,使座艙儀表數(shù)量多,座艙布局擁擠,增加機(jī)組飛行人員的負(fù)擔(dān)[1]。

1.2 單體分布的應(yīng)急備份儀表

隨著電子技術(shù)和多功能顯示器的發(fā)展,在最初的三代并列式直升機(jī)上,儀表結(jié)構(gòu)布局變?yōu)闀r(shí)分制結(jié)構(gòu),即開(kāi)始裝配綜合顯示系統(tǒng)。這種類型的機(jī)型主要將顯示器綜合化,通過(guò)綜合顯示屏(簡(jiǎn)稱“綜顯”)將當(dāng)前所需要的主要飛行儀表信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示,為正、副駕駛飛行人員提供相關(guān)飛行參數(shù)和信息畫(huà)面;還可以根據(jù)需要,飛行人員通過(guò)按壓顯示屏周邊的快捷鍵實(shí)現(xiàn)不同顯示界面之間的切換。但是,傳感器還沒(méi)有大范圍的綜合,因此,信號(hào)傳輸方式仍然以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式為主,只采用了有限的數(shù)據(jù)總線傳輸方式。為了確保安全,應(yīng)急備份儀表還采用了傳統(tǒng)的機(jī)械式指示儀表和機(jī)電式指示儀表,如地平儀、氣壓高度表、空速表、航向位置指示器等。

在串列式直升機(jī)上,顯示器和傳感器的綜合化、集成化均得到加強(qiáng),信號(hào)傳輸大量采用了總線傳輸?shù)姆绞?系統(tǒng)之間交聯(lián)更加復(fù)雜。此外,前、后駕駛艙儀表板布局大體相同,仍為時(shí)分制結(jié)構(gòu);但根據(jù)飛行人員分工不同,前、后駕駛艙儀表種類存在一定差異,特別是應(yīng)急備份儀表設(shè)置,主要在前駕駛艙儀表板上配有傳統(tǒng)的獨(dú)立式應(yīng)急備份儀表,分別為高度表、空速表、應(yīng)急地平儀、應(yīng)急磁羅盤(pán)、旋翼轉(zhuǎn)速表。

1.3 綜合化、智能化應(yīng)急備份儀表

后期的新型直升機(jī)上,采用了大量先進(jìn)的技術(shù)和理念,駕駛艙主要飛行參數(shù)采用平板型液晶顯示器(LCD)。這種新一代航空電子系統(tǒng)是更高程度的綜合化結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)處理功能的綜合,并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器功能及信號(hào)處理功能的綜合化。其顯示器、傳感器和分系統(tǒng)之間仍通過(guò)總線傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸、共享[2]。而應(yīng)急儀表從傳統(tǒng)的分立式機(jī)械或機(jī)電儀表升級(jí)為綜合化、智能化的小型綜合電子備份儀表系統(tǒng),也稱備份飛行顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)置大氣數(shù)據(jù)測(cè)量模塊和姿態(tài)測(cè)量模塊;運(yùn)用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和處理;通過(guò)液晶顯示器實(shí)現(xiàn)信息顯示。部分綜合應(yīng)急儀表與外部的捷聯(lián)磁傳感器、航向姿態(tài)系統(tǒng)等交聯(lián)。這種模式減少了應(yīng)急儀表在儀表板上的使用面積和重量。

2 應(yīng)急備份儀表使用時(shí)機(jī)

應(yīng)急備份儀表系統(tǒng)與機(jī)上其他系統(tǒng)和設(shè)備相對(duì)獨(dú)立,能在機(jī)上主要的儀表系統(tǒng)發(fā)生任何單個(gè)故障或組合故障時(shí),無(wú)需增加機(jī)組飛行人員的動(dòng)作,向其提供關(guān)鍵的飛行參數(shù),幫助飛行人員操縱直升機(jī)安全返回。因此,直升機(jī)上應(yīng)急備份儀表主要體現(xiàn)在特情訓(xùn)練、關(guān)鍵機(jī)動(dòng)飛行和復(fù)雜電磁環(huán)境飛行等三個(gè)使用時(shí)機(jī)。

2.1 特情訓(xùn)練

為了提高飛行人員空中處理突發(fā)特情的能力,在基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練階段,不同機(jī)型都在儀表空域中實(shí)施相應(yīng)應(yīng)急儀表課目的訓(xùn)練。如“儀表空域飛行”中,設(shè)置有應(yīng)急情況下的課目訓(xùn)練:遮蓋部分儀表飛行,模擬部分儀表失靈的條件,飛行人員利用其他儀表指示的飛行狀態(tài)判斷和操縱直升機(jī),并確保所駕直升機(jī)安全返回地面;或在飛行訓(xùn)練中模擬電氣系統(tǒng)故障的條件,僅依靠應(yīng)急備份儀表的指示進(jìn)行飛行并安全返回地面。

2.2 關(guān)鍵機(jī)動(dòng)飛行

在飛行人員操縱直升機(jī)的過(guò)程中,對(duì)于速度、高度等要求比較嚴(yán)格的關(guān)鍵機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作,如萊維斯曼飛行、斤斗飛行等,進(jìn)入高度過(guò)低或速度過(guò)小可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故,飛行人員需要在進(jìn)入前將多功能顯示器上的相關(guān)數(shù)據(jù)與應(yīng)急儀表上的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)。正常情況下,數(shù)據(jù)應(yīng)保持一致或誤差處于規(guī)定范圍內(nèi),并且飛行人員應(yīng)以指示數(shù)值小的為準(zhǔn),為安全留有充分的余度;如若出現(xiàn)誤差較大的情況,需及時(shí)終止飛行動(dòng)作,防止出現(xiàn)意外。

2.3 復(fù)雜電磁環(huán)境飛行

復(fù)雜電磁環(huán)境包括自然干擾和人為干擾。在復(fù)雜電磁環(huán)境下,尤其是人為干擾中,受強(qiáng)烈的有意干擾信號(hào)的作用,直升機(jī)上的電氣、電子設(shè)備容易發(fā)生各種故障。新型直升機(jī)上集成了大量的航空電子綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)相互通信依賴的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,要求數(shù)據(jù)總線具備很高的分布式處理能力和高吞吐率。但現(xiàn)代直升機(jī)上的數(shù)據(jù)總線本身具有的抗各種干擾的能力非常有限,會(huì)引發(fā)機(jī)上綜合顯示屏出現(xiàn)黑屏或畫(huà)面卡頓現(xiàn)象。同時(shí),直升機(jī)的機(jī)體損傷也不可避免。為增加直升機(jī)的生存率:飛行人員在感受到有可能遇到電磁干擾時(shí),需要依靠應(yīng)急儀表指示數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì),防止單一依靠綜顯可能提供的虛假數(shù)據(jù)而導(dǎo)致直升機(jī)進(jìn)入復(fù)雜狀態(tài);另一方面系統(tǒng)完全癱瘓時(shí),飛行人員只能依靠應(yīng)急儀表來(lái)保證飛行安全,直至系統(tǒng)恢復(fù)或降落。

3 應(yīng)急備份儀表問(wèn)題分析

現(xiàn)代直升機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的飛行訓(xùn)練,駕駛艙應(yīng)急備份儀表還存在一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和改進(jìn),主要體現(xiàn)在安裝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題、特情訓(xùn)練模式中存在的問(wèn)題、綜合應(yīng)急備份儀表存在的問(wèn)題三個(gè)方面。

3.1 安裝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

以上述的串列式直升機(jī)為例,受剩余功率和駕駛艙可用位置的影響,只有前駕駛艙安裝有幾種主要的飛行應(yīng)急備份儀表,后駕駛艙并未安裝。該型機(jī)按照飛行訓(xùn)練或任務(wù)中機(jī)組飛行人員各自擔(dān)負(fù)的責(zé)任、分工進(jìn)行設(shè)計(jì):前駕駛艙飛行人員主要負(fù)責(zé)飛行狀態(tài)保持,后駕駛艙射手兼副駕駛員主要負(fù)責(zé)自衛(wèi)和攻擊。但實(shí)際飛行訓(xùn)練時(shí),根據(jù)訓(xùn)練科目的需要,往往是經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少的學(xué)員或副駕駛員在前駕駛艙,正駕駛員位于后駕駛艙。飛行中出現(xiàn)特情的概率、故障點(diǎn)位和飛行人員當(dāng)時(shí)的身體狀況(如受傷等)都存在隨機(jī)性。一旦出現(xiàn)特情,需要后駕駛艙飛行人員來(lái)依靠應(yīng)急儀表保持狀態(tài)和緊急降落時(shí),由于后駕駛艙飛行人員不能及時(shí)得到應(yīng)急備份儀表所提供的信息而導(dǎo)致無(wú)法正確操縱直升機(jī),或者只能依賴前駕駛艙飛行人員進(jìn)行操縱,直升機(jī)的操作處理可能不能達(dá)到飛行人員心中預(yù)期良好的狀態(tài),甚至錯(cuò)失時(shí)機(jī),造成不好的后果。此外,即使前后駕駛艙飛行人員經(jīng)驗(yàn)水平相當(dāng),但由于串列式結(jié)構(gòu)不便于前、后駕駛艙飛行人員交互溝通,缺少應(yīng)急備份儀表的后駕駛艙飛行人員也不能充分發(fā)揮自身在特情處置中的作用。

據(jù)該機(jī)型飛行人員反映,應(yīng)急備份儀表(如高度表、空速表、地平儀等應(yīng)急)在顯示界面尺寸上相對(duì)較小,不便于飛行人員快速準(zhǔn)確地掃視判讀。尤其是在特情緊張的飛行狀態(tài)下,此種儀表顯示不能很好地保證飛行人員在極短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地獲取所需要的信息,并及時(shí)、安全地操縱直升機(jī)。這都與儀表顯示信息必須具有準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)、清晰、直觀和容易判讀等符合人機(jī)功效學(xué)的特點(diǎn)要求存在一定的差距。

3.2 特情訓(xùn)練模式中存在的問(wèn)題

目前有關(guān)應(yīng)急儀表的飛行訓(xùn)練課目,統(tǒng)一采用早期的訓(xùn)練方式,沒(méi)有針對(duì)機(jī)型特點(diǎn)制定,都是采用遮蓋部分顯示信息或者以綜顯黑屏的方式模擬主要飛行儀表故障,完成儀表特情飛行訓(xùn)練。此時(shí)飛行人員通過(guò)應(yīng)急儀表的指示數(shù)據(jù)判斷直升機(jī)狀態(tài)并且操縱直升機(jī),使其安全返回地面。這種訓(xùn)練模式針對(duì)20世紀(jì)70年代研制的直升機(jī)而言是科學(xué)、合理的。但是后期陸續(xù)研制的直升機(jī),裝配的航空電子系統(tǒng)交聯(lián)程度高,數(shù)據(jù)信號(hào)集成度、綜合化高,其故障機(jī)理相對(duì)復(fù)雜,危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估需要謹(jǐn)慎。僅僅模擬綜合顯示屏指示故障或黑屏,飛行人員通過(guò)觀察應(yīng)急備份儀表的指示進(jìn)行飛行,可能與直升機(jī)的真實(shí)狀態(tài)不一致,不能達(dá)到預(yù)期的飛行訓(xùn)練目的。

飛行訓(xùn)練模擬機(jī)的仿真技術(shù)是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)技術(shù),是以計(jì)算機(jī)硬件及相應(yīng)的軟件為基礎(chǔ),以現(xiàn)代控制論與相似原理為方法,借助系統(tǒng)模型對(duì)設(shè)想的和真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行解析或半物理混合仿真試驗(yàn)研究的一門(mén)綜合性新興技術(shù)。新型直升機(jī)應(yīng)急備份儀表特情處置飛行訓(xùn)練課目,就可借助飛行訓(xùn)練模擬機(jī)這個(gè)平臺(tái),運(yùn)用仿真虛擬技術(shù),將可能的儀表顯示特情故障現(xiàn)象在訓(xùn)練模擬機(jī)顯示/控制器的駕駛艙虛擬顯示屏上顯示。通過(guò)顯示/控制航空電子系統(tǒng)相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程,開(kāi)展開(kāi)發(fā)人機(jī)閉環(huán)特性的研究。這樣不僅能夠避免在實(shí)裝上特情訓(xùn)練的風(fēng)險(xiǎn),還可以加大高難特情的故障模擬飛行訓(xùn)練研究,為實(shí)裝上特情處置提供理論支撐和部分實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.3 綜合應(yīng)急備份儀表存在的問(wèn)題

隨著直升機(jī)性能的不斷提高,應(yīng)急備份儀表也越來(lái)越綜合化、智能化。綜合電子應(yīng)急備份儀表順應(yīng)綜合化趨勢(shì),其結(jié)構(gòu)緊湊,顯示功能豐富,表盤(pán)占用面積僅相當(dāng)于傳統(tǒng)的地平儀指示表盤(pán),重量相對(duì)較輕且可靠性高,在新型直升機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。但綜合電子應(yīng)急備份儀表仍無(wú)法避免以下幾個(gè)矛盾:一是顯示屏尺寸偏小,人機(jī)功效學(xué)較差;二是雖然綜合指示便于飛行人員獲取信息,但這種集成化的顯示模式,對(duì)顯示屏的依賴程度過(guò)高,也無(wú)形中增加了顯示屏和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?一旦出現(xiàn)故障,可能出現(xiàn)一損俱損的現(xiàn)象,導(dǎo)致飛行人員同時(shí)喪失所有應(yīng)急飛行信息,后果不堪設(shè)想[3];三是綜合應(yīng)急儀表國(guó)產(chǎn)化研制水平還不成熟,核心部件如滿足軍用戰(zhàn)機(jī)性能指標(biāo)的MEMS陀螺、加速度計(jì)、微硅壓力傳感器等受制作工藝水平的限制,使綜合應(yīng)急儀表的精度還達(dá)不到需求標(biāo)準(zhǔn)[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,應(yīng)急備份儀表作為特情情況下的重要安全設(shè)備,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)于余度設(shè)計(jì)、顯示界面尺寸、位置等因素,應(yīng)當(dāng)多考慮人機(jī)交互感受,在條件允許的情況下盡可能便于機(jī)上每個(gè)飛行人員的快速判讀;而飛行訓(xùn)練課目應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)機(jī)型針對(duì)性,針對(duì)不同機(jī)型特點(diǎn),改進(jìn)和完善現(xiàn)有應(yīng)急儀表的飛行訓(xùn)練方式。此外,為了提高直升機(jī)在惡劣環(huán)境中的生存能力和安全性,除了技術(shù)和設(shè)備等方面需要提高,定期對(duì)飛行人員進(jìn)行理論培訓(xùn)、技術(shù)研討和經(jīng)驗(yàn)交流也是非常必要和重要的。這種訓(xùn)練理念和方式一直被采用和大力推廣。