侧杆人机工效影响因素分析

党 维

（1.中国飞行试验研究院飞机所，陕西 西安 710089； 2.航空工业飞行仿真航空科技重点实验室，陕西 西安 710089）

侧杆又叫侧杆控制器，是对传统中央驾驶杆的偏置和改进，通常包括驾驶杆、手柄和固定基座3个部分。当飞行员操纵手柄旋转以控制飞机的某个轴向运动时，侧杆手柄和驾驶杆应满足两个条件：（1）手柄造型须具备帮助飞行员识别出受控轴向的固定手位；（2）必须允许飞行员将纯净控制指令输入每个轴向，同时较少耦合。

侧杆由于具有体积小、布置位置不影响飞行员视野及对中央仪表板的观察等优点，在国外三、四代战斗机及大型运输机上得到了广泛应用。20世纪70年代，F-16飞机首先采用电传操纵系统和侧杆以后，侧杆操纵引起了人们的注意。随着电传操纵技术的日益成熟和不断应用，飞机设计人员对侧杆操纵装置的兴趣也更加浓厚，目前常见的如F-16系列，F-22，A-320，Su-37，“阵风”等都采用了侧杆驾驶装置。

1 侧杆基本参数

1.1 侧杆的基本参数

（1）自由度个数。通常选取俯仰、滚转、侧滑2～3个自由度。集俯仰、横滚、侧滑控制功能于一体的3轴向侧杆驾驶装置常常是飞行员首选的控制设计构型。

（2）控制轴向参照系和枢纽轴位置。俯仰轴向的参照系可为水平、正交于横滚轴的垂直轴线，或腕部/手掌枢纽轴；横滚轴向的参照系为手部以下、平行于前臂的纵向轴线；侧滑轴向的参照系可为手握垂直轴或掌握垂直轴。枢纽轴位置通常选用基底枢纽、掌枢纽和腕枢纽。

1.2 控制构型

1.2.1 腕部枢纽定俯仰和侧滑，固定臂托面枢纽定滚转

（1）俯仰。手和手柄以腕部水平中心线为转轴在垂直平面内做弧曲运动，前臂肌肉有伸缩，但前臂无动作。

（2）滚转。手—手柄—腕—前臂在臂托上滚转，在臂托支撑面下产生一个与肘部靠点和侧杆基底枢纽连线相交的等价轴线。

（3）侧滑。手—手柄以腕部垂直中心线为转轴在水平面内做弧曲运动。前臂肌肉有伸缩，但前臂无动作。

1.2.2 腕部枢纽定俯仰和侧滑、基底枢纽定滚转

控制动作同上。采用可移动臂托，臂托杯通过滚珠在臂托架上移动，以适应前臂的平面运动。

1.2.3 感觉特性

通常采用具备回中力—位移特性的触觉反馈构型。

2 侧杆与中央杆的人机工效比较

随着现代显控技术的发展，高度人性化的座舱设计，使得座舱资源变得更加宝贵，侧杆也逐渐得到了大家的认同。侧杆相对于中央杆的优点主要表现在以下几个方面：

（1）侧杆比中央杆更节省空间。侧杆通常安装在座舱右侧控制台上，其长度和位移行程远小于中央控制杆，加上可以将多个控制器综合在一个侧杆上，因此可以降低对座舱空间的要求。采用侧杆装置为进一步优化座舱显示控制布局提供了可能性。

（2）改善了前方仪表板的可视性。中央驾驶杆对前方仪表板形成遮挡，尤其当飞行员手握操纵时遮挡更加严重。侧杆不会挡住飞行员的视线，不会挡住飞行员的视线，不影响飞行员对仪表的观察。

（3）减轻控制系统重量。采用电传侧杆驾驶系统后，原先和中央驾驶杆配合使用的机械器件等都可以省去，飞机操纵系统结构大为精简，重量得以减轻。

（4）改善飞机的操纵品质。采用侧杆驾驶装置后，飞行员可以更省力和精确地完成飞机操纵。航迹控制的精确性和飞行绩效明显改善，任务完成的可靠性明显提高。

（5）降低飞行工作负荷。采用侧杆驾驶装置后，飞行员更易于观察前方显示器。机动飞行过程中，飞行员在完成抗荷动作的同时，无需大力推拉或按压驾驶杆，便于实现飞行控制。因此，飞行或机动飞行中的飞行员工作负荷和飞行疲劳明显降低。

（6）结合后倾座椅，提高飞行员抗过载能力。高机动性飞机为了提高飞行员抗过载能力，往往采用后倾座椅设计。在后倾坐姿条件下，飞行员操纵传统中央杆将面临很大的困难。此时，采用侧杆驾驶装置可以明显降低飞行员的操作难度，从而提高抗过载能力。

（7）结合臂托，减少飞行员的惯性振动。侧杆驾驶装置常常和臂托结合起来使用。臂托的作用首先是将前臂相对固定，以阻断或减少生物力学感应性振动沿飞行员手—臂—肩的传递和由此造成的对侧杆操纵的不利影响，其次是为前臂提供支撑以保证侧杆操纵的稳定性。

（8）增加飞行的舒适性。采用侧杆驾驶装置后，飞行员更喜欢使用侧杆进行侧滑/航向控制。这意味着飞行员不但可以双脚着地，而且下肢可以自由伸缩活动，增加飞行的舒适性。

同时，侧杆驾驶装置也存在无法换手进行飞机操纵、反馈设计比较困难等缺点。但从国外研究文献和飞行员的有关体会看，国外飞行员对于该驾驶装置主要持肯定态度，在国内侧杆驾驶装置也存在着使用需求。

3 侧杆人机工效要求

侧杆操纵的舒适程度直接影响人机的飞行品质，而舒适程度的根本主要体现在驾驶杆安放位置、杆力梯度、手柄在手中的感觉、手柄上按钮在手柄上的布置原则等几个方面。

3.1 操纵力与侧杆位置的考虑

驾驶杆要安装在驾驶员手臂操纵驾驶杆时，手臂力发挥最有效的位置处（兼顾纵、横两通道的操纵）。

国外关于此方面主要研究了驾驶杆的位置对推杆和拉杆的能力影响，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95百分位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”。

相关研究表明，在综合大多数飞行员能力的情况下，侧杆布置在不同位置，飞行员能施加的最大力也不同。采用侧杆，由于侧杆只是一个信号发生器，并没有感受到翼面传来的力，所以杆力不必达到驾驶员能施加的最大力，但手臂在不同的上臂角情况下，能施加的最大力也不同，这就为设计侧杆位置、偏度时，提供参考。

一般情况下，需要综合考虑座舱布局才能确定侧杆的具体安装位置。相关试验研究表明，杆位置相对座椅参考点在15.5～18.25英寸之间，人的推、拉杆能力和左右压杆能力比在其它区域强。所以，在确定侧杆安装位置时，最好将侧杆放在此区域。

3.2 手柄形式和按钮布置位置的考虑

手柄的设计尽量人性化，综合多人对手柄把握的舒适程度，不断修正形成。对于飞行驾驶过程中常用的飞行控制、火力控制及雷达搜索等方面的按钮尽量布置在手柄上，并保证控制按钮布置在手不脱离手柄把握情况下，手指可覆盖操纵的位置。

在布置按钮时，依照按钮的常用程度分类，将最常用的按钮布置在手指最容易并可以灵活操纵的地方。手柄完成后，可聘请多名飞行员对手柄进行试操纵，充分听取参试飞行员的意见，采纳体现大多数飞行员感觉的意见，直至最终定型完成。

3.3 侧杆中立位的确定

侧杆中立位的确定应以无加速平飞中飞行员控制最大允许过载值时，腕部在垂直轴前侧的后向运动不大于5°～7°，或控制最大右向滚转速率时腕部在垂直轴右侧的外向运动不大于5°为宜。在符合上述要求情况下，侧杆中立位的具体位置可以在垂直轴前侧10°～17°、垂直轴左侧8°～12°的范围内选定。为方便侧杆驾驶装置的使用，需要为飞行员设置可调节的臂托。

3.4 侧杆启动力的确定

侧杆启动力应介于2.2～9.8 N之间。当飞行员操杆时的用力小于侧杆启动力时，侧杆没有动作反应；而当飞行员操杆时的用力大于侧杆启动力时，侧杆给飞行员一个强有力的触觉提示，表明侧杆将离开中立位。

3.5 侧杆杆力及杆力梯度的选取

一般情况下，俯仰杆力取9 kg左右为宜，如A-320飞机的侧杆在俯仰通道的偏度±16°，最大杆力±9.99 kg；而滚转方向的操纵杆力是不平衡的，因为前臂在两个方向上的强壮程度是不一样的。一般情况下，向左的最大力和向右的最大力比值为3∶2，向左最大力取4 kg左右，而向右最大力取2.7 kg左右，如A-320飞机的侧杆在俯仰通道的偏度±16°，最大杆力±9.99kg。

3.6 侧杆的质量特性

不管实际力梯度如何，侧杆驾驶装置的质量最好不大于3 kg。力梯度小于1.75 N/mm时，可采用低中性频率的侧杆驾驶装置；力梯度介于1.75～5.25 N/mm时，可采用20 rad/s或更高中性频率的侧杆驾驶装置；力梯度大于5.25 N/mm时，可采用16 rad/s中性频率的侧杆驾驶装置。俯仰轴向和滚转轴向可采用相同的质量特性。

4 飞行品质规范中有关侧杆的静态特性要求

在传统中央杆设计时，杆力-杆位移特性是杆力随杆位移的增大而增大，杆力、杆位移、飞机的响应提供给飞行员的信息应当是一致的，以此来提高飞机的飞行品质，侧杆的特性也是如此。

飞行员适应怎样的杆力和杆力梯度，以及什么样的杆力和杆力梯度有利于提高飞行品质，是侧杆设计要考虑的重要问题。对此，国外进行了大量的飞行试验研究，以下引用来自一些比较权威机构的文献，给出几组比较重要的数据和图表。

首先引用相关文献中对侧杆的评价，来自于爱德华空军基地的美国空军试飞员学校，用T-33变稳飞机进行一系列试飞后，飞行员给出的评价。表1给出了侧杆操纵时各种杆力、杆力梯度的构型。一般说来，符合驾驶员的操纵要求应该是随着操纵力梯度的减小而增加操纵杆位移，随着操纵杆力梯度的增大而减少操纵杆位移，工作特性与中央杆的要求一致。

表2中的构型13、14、15，在试验飞行后，得到了驾驶员的最好评价。这些构型位于试验矩阵的边缘，是否有一些有利的扩展还不确定，需要进行进一步的试验。

构型4、7被认为是好的，但稍次于构型13、14、15。飞行员的评论表明，构型4的杆力使人疲劳同时也不舒适。尽管边界没有完全确定，但这些评论表明，较重的杆力梯度是不可接受的。

构型l、2被认为是最差的，它们的特点是纵、横操纵过于灵敏。

所有余下的操纵构型表明，用中等操纵杆操纵，选择的操纵力梯度基本上对驾驶员的评分没有影响。然而，随着操纵杆力梯度从轻加重，驾驶员评论指出杆操纵有从过于灵敏到太迟钝的趋势。

表1   T-33侧杆评价的A种飞行阶段操纵构型

表2   各操纵构型空空任务的飞行员评价

对于构型7、11启动力从0.23 kg增加到0.45 kg来研究启动力对驾驶员评分的影响。对构型7，平均的驾驶员评分从3.8增加到5，而构型11的评分基本上保持不变。驾驶员的评价表明，增加启动力的效果是以不利的方法增加俯仰灵敏度。

另外，A-320飞机侧杆的纵向梯度为1.78°/kg；YF-22飞机的杆力梯度见图1。由图1可见，YF-22飞机快挡时纵向杆力梯度为1.78°/kg，慢挡时纵向杆力梯度为1.11°/kg。

图1   YF-22飞机俯仰角速度杆力梯度图

从以上的试验及真实飞机的侧杆杆力梯度数据不难看出：纵向杆力梯度最好取为1.78～2.00°/kg，横向杆力梯度3.11°/kg。

5 小    结

侧杆人机工效影响因素分析是进行侧杆飞行的驾驶与评价方法研究的基础，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以及成功使用的事例，从操纵力与侧杆位置、手柄形式和按钮布置位置、侧杆中立位、侧杆启动力、侧杆杆力及杆力梯度、侧杆的质量特性等6个方面对侧杆人机工效影响因素进行了探讨，对侧杆和中央杆的人机工效进行了比较分析，引用了美国爱德华空军基地的美国空军试飞员学校使用T-33变稳飞机作出的一系列试飞后飞行员给出的评价，阐述了在飞行品质规范中有关侧杆的静态特性要求。