飞行员心电和周围温度采集记录系统设计

曹煜国 赵利利 封卫忠

摘要：战斗机座舱空气调节系统具有增压、冷却、加温、通风等功能，舒适的座舱环境，能够提高飞行员工作效率，降低飞行疲劳，过高或过低的座舱温度会使飞行员产生应激反应，导致体表温度和心电变化，严重的会影响飞行安全。国军标对飞行员座舱温度、压力控制有严格要求，之前简单测量座舱平均温度的方法已不能全面反映系统的功能和性能，故设计集成周围温度、体表温度和心电的连体服生理采集记录系统，能够更加准确地反映飞行员周围温度场。

关键词：空气调节系统;心电;周围温度

0    引言

战斗机座舱空气调节系统主要作用是为座舱营造一个舒适的温度环境，保证飞行员的效率，使飞行员全身心投入飞机操纵和任务执行，进而提高作战效率。飞机上绝大多数的座舱空气调节系统组成包括引气子系统、预冷子系统、制冷子系统、座舱和设备舱供气子系统。从发动机引出高温、高压气体，经降温、降压转变为适宜的空气供入座舱，既能够将座舱温度调节到人体感觉到舒适的范围内，减少人体疲劳，又能够进行座舱换气，在维持座舱压力稳定的前提下，有足够的新鲜空气供飞行员呼吸。

关于座舱空气调节系统的设计，先期需要进行详细仿真计算和大量地面试验，但依然无法取代整机地面试验和飞行试验试飞。空气调节系统在设计同时需要对各子系统进行大量的仿真分析，还需要完成座舱流量分配、设备舱流量分配等试验。座舱空调系统引气子系统气源来自发动机，飞行高度以及发动机状态直接影响引气流量、温度和压力等;预冷子系统中冷却介质来自飞行中冲压空气和温度变化的燃油，飞行高度和速度影响冲压空气的温度和流量，燃油温度受到地面大气温度和飞行状态的影响;控制系统的电源来自飞机发电机，供电品质的好坏直接影响飞机电源的品质。这些都与地面有较大的区别，因此需要进行详细的空中试飞试验和地面试验。

国军标对战斗机空氣调节系统提出了详细的要求，不论座舱是否有增压功能，都应该有冷却、加温和通风能力，以满足飞机机组和座舱乘员的生理要求，应能保持驾驶员周围温度在15～27 ℃的范围，同时对驾驶舱平均温度有相应要求。前期，战斗机座舱内温度场的测量通常采用简单的温度分布测量方法，在座舱前后、左右加装温度传感器，通过屏蔽线将传感器信号送至设备舱采集设备，由于战斗机内座舱布局复杂，空间有限，过多地布置传感器会影响座舱布置和飞行员操纵飞机，有些舱内部位因存在干扰，无法布置温度传感器。因此，座舱平均温度场存在测量不方便的实际缺陷，也不能真实全面地反映飞行员周围温度场。

适宜的座舱平均温度，能够保证飞行员舒适地操纵飞机。多项研究表明，温度过高或过低会使飞行员产生热或冷应激反应，导致飞行员反应能力下降，容易产生疲劳，该问题在长航时飞行时尤为突出。国军标中对因为座舱温度冷热变化导致飞行员心电变化有详细要求。针对飞行员心电监测，美国和俄罗斯都有成熟的案例，俄罗斯研发的小型化多功能生理监测仪“多项式”可对飞行员、航天员进行一系列呼吸循环生理监测，包括动态心电图、超声心动图、静脉波动图、肢体动脉脉搏描记图、呼吸运动图等。针对试飞中飞行员周围温度和心电测试需求，本文提出了一种新的手段和方法来进行测量。

1    设计方案

飞行员心电和周围温度采集记录系统由六部分组成，包括连体导线服装、周围温度传感器、体表温度传感器、心电传感器、导线连接和采集/记录模块。系统组成原理框图如图1所示，系统原理图如图2所示。

连体服选取10%、50%、90%三种不同百分比体型的飞行员尺寸，定做三种不同尺寸的衣服。周围温度传感器集成在衣服上，衣服腰部预留抗荷管路引出通道，设置记录系统腰部固定锁扣。

周围温度采集采用铂电阻温度传感器，数量共9个，测量范围为-40～60 ℃，其中8个温度传感器分别加装在衣服上左肩、右肩、胸部、腹部、左膝、右膝、左踝和右踝，头部温度传感器通过导线衣领引出，在飞行中固定到飞行员头部。

心电传感器采用3通道CM5导联，R波间隔法检出，心电传感器从连体服衣领附近引出。

体表温度传感器的测量范围为34～38 ℃，精度不大于

±0.2 ℃，该传感器从连体服衣领附近引出。

采集/记录模块作为采集记录系统的核心，主要功能是与连体导线服进行稳定连接，采集、处理前端传感器传输的温度和心电信号，并保存。采集/记录模块包括采集接口、Flash存储器、显示/供电子模块、控制子模块和时钟管理等。

2    试验结果及分析

2.1    地面检测试验

采集记录系统研制完成后，首先进行常温环境试验、低温环境试验、高温环境试验、采样率测试、精度测试、电池使用时长摸底试验、抗冲击试验、振动试验和电磁兼容试验。

周围温度传感器温度试验选择包括常温（20 ℃）、高温（70 ℃）、低温（-40 ℃）试验，试验前将系统放置在各个温度环境中，保持衣服平展，周围温度传感器外露，然后打开采集器电源和记录开关，工作15 min，检查电池容量显示是否正常，下载数据检查采集数据精度和采样率是否正常。

心电采集和体表温度分别在夏季高场温（大气场温>38 ℃）和冬季低场温（大气场温<-35 ℃）室外进行，试验人员穿着连体服，贴好心电和体表温度采集传感器，然后打开采集器电源和记录开关，工作15 min，下载数据检查采集数据精度和采样率是否正常。

在常温、低温、高温条件下，将连体服放置在各个温度环境中，保持衣服平展，周围温度传感器外露，然后打开采集器电源和记录开关，使采集器分别工作至电池耗尽，检查不同环境下电池工作时间。

振动试验、抗冲击试验和电磁兼容性试验在正常大气下进行，试验前打开采集记录开关，在冲击环境和电磁环境下进行试验，试验显示系统工作正常，显示正确，下载数据处理后采集数据精度和采样率正常。

2.2    飞行试验

在完成地面试验验收后进行机上飞行验证试验：（1）试验前完成对系统充电、调试、授时等一系列准备工作;（2）飞行员进座舱前穿好连体服，将心电片和体表温度传感器贴在身上，周围温度传感器外露，打开采集记录系统电源和采集开关;（3）飞行结束后，关闭电源，脱下连体服;（4）实验室下载数据，后端处理分析。

测试和记录数据如图3、图4所示。

以上测试结果和理论分析、实际情况相符，说明该采集记录系统可以用于飞行员周围温度和心电测量。

3    结语

相比以前在战斗机座舱空间内加装温度传感器，采用在飞行员连体服上布置温度测量点测量周围温度能够尽可能反映飞行员的冷热感觉，客观真实地反映飞行员周围的温度场分布规律。

独立的温度采集测量系统，省去了与飞机机载数据系统之间的交联，减少了在飞机狭小舱内布置测点的复杂程度，不影响飞行员操纵飞机，并实现了多型飞机通用化应用，可以在各型飞行上使用，减少了飞机测试改装的难度，并降低了成本，加快了试验进度。

[参考文献]

[1] 史继斌.空降假人运动状态测试技术研究[J].电子技术与软件工程，2014（4）：134-135.

[2] 飞机环境控制系统通用规范：GJB 1193—1991[S].

收稿日期：2020-01-14

作者简介：曹煜国（1986—），男，山西朔州人，工程师，主要从事飞机环控与热管理试飞技术研究工作。

赵利利（1987—），女，宁夏银川人，工程师，主要从事飞机环境控制系统的试飞研究工作。