侧杆空间安装位置影响分析
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摘 要：侧杆系统的安装与设置对飞行安全来说非常重要，探究了侧杆系统空间优势、人工功效考虑、具体安装位置。研究结果对侧杆的设计及试验有一定的参考价值。
关键词：侧杆;人机工效;人感特性
中图分类号：V241.4 文献标志码：A 文章编号：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世纪70年代，F-16飞机首先采用了电传操纵系统和侧杆驾驶系统。侧杆系统一般来说包括驾驶杆、手柄、固定基座和臂托四个部分。随着电传操纵技术的日臻成熟和不断应用， 首次采用电传操纵系统和侧杆的军机F-16以及民机A320，带来了各自领域内操纵方式的变革，使侧杆操纵在国外第三、第四代战斗机及民用飞机上得到了广泛应用。
使用侧杆操纵的优势非常多，但是由于侧杆和中央杆操纵特性上有很大的差别，如果侧杆的安装与设置并不理想，或是飞行员对侧杆的操纵特性不了解、不适应，可能会导致灾难性的后果。
2 侧杆系统的空间优势
使用侧杆系统代替中央杆后，驾驶杆空间位置的变更带来了一系列的好处。传统的中央驾驶杆位于飞行员的双腿之间，靠飞行员推、拉、按、压形成的杆位移来实现对飞机的操纵控制。由于现在使用的中央杆位移行程比较大，飞行员操纵时就要占用很大的前部空间，而且也拉大了飞行员和仪表板之间的距离，而且对飞行员正常操纵正前方控制板（UFCP）、多功能显示器周边键（MFDOSS）等形成障碍。去掉中央杆后，设计师就能把飞行员眼位参照点（ERP）设在最佳眼位。从而扩大舱外视野，再加上可以将座椅参考点（SRP）前移，控制参考点（GRP）也会前移，排除了飞行员前方的行动障碍，无疑会大大改善前方仪表板的可视性，方便飞行员对前方控制器的飞行操纵。
3 侧杆系统安装位置的人工功效考虑
空间位置的变更同时带来了人机工效上的问题，侧杆相较于中央杆，更容易出现纵横通道耦合的问题，所以当操纵手柄来控制某个轴向的飞机运动时，手柄和驾驶杆以及臂托的结构应该满足两个要求，一是手柄的造型一定要以固定手位构型来帮助飞行员识别出受控的轴向;二是必须可以让飞行员将纯净控制指令输入到每个轴向，同时将其他轴向的意外输入减至最少，减小纵横耦合。侧杆系统安装表现出如下特点：通常安装在座舱右侧的控制台上;具备独立调节机制;中立位轴线可以按照飞行员个人喜好相对于臂托进行调整，如图2所示。
侧杆操纵的舒适程度直接影响飞行员的操纵，进而影响了飞行品质，而舒适程度的根本首先就体现在驾驶杆具体安放位置上，为了兼顾纵、横两通道的操纵，驾驶杆要安装在驾驶员操纵驾驶杆时，手臂发力最有效的位置。
國外在相关方面主要研究了驾驶杆的位置对推杆和拉杆的影响，Lockenour在AFFDL-TR-78-171的研究中指出：“…一个人的最大力量是左右不对称的，并且推杆和拉杆的能力相差大约一倍，…在第5和第95个百分位的男性力量相差达三倍…当然，驾驶员在拉杆位置以给定的力紧握驾驶杆会感到吃力。”
图2说明了侧杆在驾驶舱人机工效中的各个参考点关系，相关研究表明，在考虑大多数飞行员能力的情况下，将侧杆布置在不同的位置，飞行员所能施加的最大力也不同。侧杆只是一个信号发生器，并没有感受到翼面实际传来的力，所以杆力不用和驾驶员能施加的最大力持平，但手臂在不同的情况下，能施加的最大力也不同，这些因素就为我们在设计侧杆位置、中立位时，提供参考。
4 侧杆系统具体安装位置的确定
一般情况下，要确定侧杆的具体安装位置，我们需要综合考虑座舱布局，相关试验研究表明人的推、拉杆能力和左右压杆能力最好的区域，是杆位置相对座椅参考点在15.5～18.25英寸之间，所以最好将侧杆放在此区域。
操纵侧杆时，一定要和臂托配合使用。侧杆的臂托包括图3所示的支撑架和固定基座。臂托通常安装在座舱右侧控制台上，具备独立的调节机制，允许根据任务和飞行员体态进行调整。臂托必须顺应人体操纵时的关联性运动并提供加速度分离和触觉参照，对侧杆的操纵来说相当重要。当飞行员前臂移动时，支撑架需要在固定基座上相应于飞行员前臂做小范围内的平面随动。
F16原型机采用的腕杆及肘杆结合的方式，资料显示飞行员评述较差，飞完高过载机动动作后腕部及手臂会有两道淤青，被戏称为“通过看完成动作后的淤青程度可以猜出完成的机动”，影响动作完成质量。研发F22时，对臂托方面做出了改进，增大了支撑面的表面积，飞行员操纵时小臂的舒适度增加了很多。F35及人机工效方面较为先进的阵风均采用了曲面的支撑面，资料显示飞行员反馈感觉舒适，完成机动动作时较协调。通过研究发现，可能的情况下增大臂托与小臂的接触面积，用弧形的臂托限制小臂横向操纵时的位移，在实际飞行时会取得更好的效果。
5 结束语
侧杆人机工效影响因素分析是进行侧杆操纵飞行品质研究的基础，有重要的研究价值。本文主要从侧杆的人机工效方面着手，通过分析国外的研究成果，汲取其长期的成功使用经验，对侧杆系统空间优势、人工功效考虑、具体安装位置的确定三个方面进行了探讨，为后续的侧杆改进和使用提供了参考。
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