展望战斗机座舱发展 未来或出现超级全景座舱

2014-06-24 10:03:00 中国航空报 分享
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  战斗机座舱是飞行员的工作场所,是人机系统的交联界面,是有人作战飞机的核心组成部分。飞行员从座舱里的显示装置、音频信号和外景观察获得信息,经过判断,发出指令,驾驶飞机,执行任务,同时座舱又必须满足飞行员在各种条件下高效工作、维持身心健康和机能、应急救生等功能要求。随着科学技术尤其是计算机科学和电子信息科学两大技术的迅猛发展,作为战斗机设计核心的座舱,其布局形式和设计理念也随科学技术的进步不断发展。本文对喷气式战斗机座舱的发展进行简要介绍,总结各代战斗机座舱的设计特点,分析座舱布局和设计理念的发展趋势,并对未来战斗机座舱的设计提出展望。

  战斗机发展历程

  按照西方的一种划分标准,将二战后出现的喷气式战斗机按照性能进行划分:第一代战斗机出现时间大概为1944~1953年,主要特点是能超声速飞行,采用尾随攻击,典型的代表为苏联的米格-15、米格-17以及美国P-80和F-86等。第二代战斗机主要是1950至1970研制的战斗机,主要特点是能全天候作战,采用导弹进行中距拦射,典型的代表为苏联的米格-19、米格-21以及美国的F-4、F-5等。第三代战斗机主要是1970年后研制的飞机,主要特点是强调亚跨声速机动性,具备下视下射能力,典型的代表为苏联的米格-29苏-27以及美国的F-15F-16等。1997年9月7日美国F-22首飞后,战斗机发展进入第四代,主要特点是具备高隐身性能、非常规机动及超声速巡航。

  座舱布局演变

  战斗机座舱布局设计的焦点是仪表板布局,而仪表则是仪表板布局的物质基础。

  第一代喷气式战斗机座舱内完全是机械操作装置和机电显示仪表,例如米格17座舱和F-86座舱。中央驾驶杆以机械连杆的方式操纵飞机舵面控制俯仰和滚转,脚蹬也以机械连杆的方式操纵方向舵控制偏航。

  座舱内基本采用第二代机电伺服仪表(螺旋桨战斗机使用第一代简单机械和电气仪表),仪表板布局采用标准的“盲目飞行仪表板”,即将地平仪、空速表、高度表、陀螺半罗盘、转弯仪和升降速度表这6个仪表装在仪表板中央,发动机仪表排列在两侧。

  这个阶段的仪表很单一,自身完全是独立的系统,拥有独立的传感器和传送机构,拥有独立显示控制的空间,只能依靠飞行员熟练地综合各个仪表的指示才能正确驾驶飞机。随着仪表数量的增加,新增的仪表围绕在6个“盲目飞行仪表”的四周,如果仪表板指示的飞行信息与飞机操作之间的关系没有合理匹配好,极易增加飞行员的工作负荷。

  1950年后研制的第二代战斗机座舱内仍维持机电仪表显示与机械连杆操作,但是随着飞机性能提升,特别是强调全天候作战,系统较一代机更复杂,飞行信息量极大增加,座舱内显示仪表和操作电门的数量增多。

  为缓和仪表板日益拥挤的问题,工程师在第二代机电伺服仪表的基础上对飞行仪表进行综合,对与指示相关信息的仪表进行综合,减少仪表数量;同时将无线电导航和其他经过计算机加工的指引信息综合进相关的显示器中,形成第三代飞机仪表。同时,工程师进一步从工程心理学的角度研究飞行信息与飞机操作的内在关系,改革仪表板布局,最终设计出“T”形布局形式:以指引地平仪为中心,下方布置航道罗盘,左边布置空速表,右边布置高度表及升降速度表。

  无论是“盲目飞行仪表板”还是“T”形布局,从显示特性上都属于机械光调制显示仪表,信息容量小、灵活性差,且占有固定空间,只能采用空分制显示信息。空分制仪表板布局一经确定,被显示信息的位置也就固定不变。不常用的仪表始终占据固定位置,利用率不高,还会分散飞行员注意力。

  三代机开始趋向多任务、多用途的路线,强调亚跨声速机动性和近距格斗能力。因显示信息量的急速提升,由机械显示仪表按空分制排布的座舱仪表板,使得飞行员的工作压力日益繁重。为根本解决空分制显示的缺点,工程师们利用阴极射线管作为电子显示器件研制出电子飞行仪表,即第四代显示仪表。电子显示仪表具有很大灵活性,采用时分制显示,在不同时间显示不同的信息,工作状态可以自动或手动切换,能一表多用,按需显示,特别是能显示经过计算机加工过的指引信息,减少人为差错。电子显示仪表成为现代飞机的主要显示仪表,座舱逐步去拥挤化。

  平视显示器是为了解决飞行员内外视矛盾而研制出的多功能电光显示仪表,使飞行员在关键飞行阶段不必低头看仪表,能够保证平视机头正前方飞行。平视显示器结合多功能显示器使得座舱内仅需保留少数几个备份的关键参数指示仪表,座舱显示仪表板大大简洁化。座舱内传统的机械连杆控制也逐渐被电传控制取代,脚蹬、驾驶杆甚至油门杆均通过数字电子技术将飞行员操作位移量转化为电信号传输至控制端;同时,在驾驶杆和油门杆上装设雷达、武器和显示器的控制开关,使得飞行员大过载机动或作战时双手可以不离开驾驶杆或油门杆(HOTAS),即保持飞机操纵又统一控制武器、探测器、显示器的工作状态和重要参数,提高人机接口的自动化程度。

  无论是早期的常光平显还是后期的衍射平显,对飞行员眼睛的位置有视场区域要求,在这个视场外部则看不到平显画面信息,平显安装完后位置是固定的,而飞行员的头部则是运动的。

  受限于系统可靠性和系统综合技术水平,座舱内控制器的数量没有得到精简(早期F-15座舱内控制器数量接近300个)。HOTAS上设置的开关种类也越来越多,有些按键甚至多个系统共用。

  1997年9月7日美国F-22战斗机成功首飞,2006年12月15日美国F-35战斗机首飞成功,该两款飞机的设计定位完全区别于三代机,采用隐身设计及超声速巡航,结合强大的航电系统和射频系统,达到先敌发现、先敌攻击、先敌摧毁。四代机任务功能更加强大,系统更加综合化,彻底取消了机电仪表,控制电门的数量相对三代机大大减少,座舱更加简洁。F-35的座舱将平视显示器的功能综合进头盔里面形成头盔显示器,采用一块整体大屏幕显示器取代F-22的多个小尺寸多功能显示器,大部分系统的控制均由传统电门操作改为通过触摸大屏幕显示器的形式完成,操纵台上电门的数量相比F-22减少很多,大约仅为其三分之一。

  设计重点

  科学技术的进步和系统综合水平的提高是推进座舱设计水平提升的关键力量。从第一代显示仪表至第四代显示仪表,每一代显示仪表的运用都使得座舱仪表板简洁化,同时促使工程师设计出相匹配的仪表布置原则,减轻飞行员的视觉负担。系统综合水平的提高使得座舱内各系统的开关可以相互综合,结合机载计算机,使得几个连贯的操作动作,飞行员只需完成第一个,后续几个由计算机自动控制完成;此外,结合多功能显示器,变“硬开关”为“软开关”,在显示器上完成操作。

  座舱的设计越来越强调人机工效,强调将飞行员与座舱及其环境的相互关系、协调性和人性化联系起来综合设计,使得座舱任务作业更能够与飞行员相适应,而不是要求飞行员适应座舱内部硬件及其环境,从而减轻飞行员负担,让不同飞行员可以舒适地操纵飞机,提高工作效率和安全性。

  展望

  目前美国正在开展第五代战机的研究,其他一些国家也正在进行第四代战机的研制。未来的有人战斗机将面临复杂甚至极端恶劣的战场环境,在多维立体化条件下执行多平台多任务的高度信息化作战方式。

  未来有人作战飞机将作为体系作战的一个环节,从路基、海基、空基和天基传感器获取数据,或作为体系中的一个打击单元,根据接收的作战态势和作战规划执行作战任务;或作为一个指挥节点根据接收的作战规划指挥体系中的其他环节(路基/海基作战单元、空基作战单元、天基作战单元);或作为一个侦察单元,利用自身的传感器获取信息并向体系中其他环节发送数据。

  体系作战下的信息数据流将使得座舱显示“信息爆炸”,单个如F-35的大屏幕显示器将远不能满足飞行员获取信息数据流的显示需求,而隐身设计的需求也会限制座舱空间的增大。曲面显示器的应用将使得利用舱盖透明件作为显示器将成为可能,从而建立超级全景座舱。舱盖显示器功能上可以替代当前平视显示器,又可以直观显示整个作战空域的态势感知,三维显示附近的作战体系环境,同时结合虚拟成像技术,还可以提供夜间、潮湿结冰天气、浓雾等不利环境条件下的飞行能力。座舱内部的大屏幕显示器将增加时间维度的显示,使置身于座舱内部的飞行员不但能直观地得到飞机三维真实飞行的信息,还可以得到飞机的预见轨迹和飞机在未来一段时间内的预测输出状态,便于飞行员对目标进行无延迟地跟踪。

  座舱内部的系统控制器件将大大精简,除了控制飞行的几个基本操作杆,将仅保留与安全相关的数个控制器,其余均融入显示器里面,在人与显示器触摸交互界面简约化的同时将增加语音控制功能,最大化减小飞行员的操作时间,提升操作便捷性。HOTAS上的按键数量也将减少,除保留作战类的按键外,其余系统尽量通过语言实现控制。

  座舱的环境将越来越考虑人的因素,使得飞行员心情愉悦。人体的舒适状态受多种因素决定:声学(噪声)、视觉(色调影响)、嗅觉与呼吸(空气质量)、机械感觉、热感觉(温度、湿度、气流)、微环境的振动和摆动、安全卫生因素等。

  通过如下几个方面提升飞行员的舒适度:(1)研究座舱气流组织,合理布置通风口;(2)实现对座舱的照明和温度的自动控制和语音控制;(3)除三维立体音响告警,将通过座椅或操作杆以振动的方式提供接触式告警;(4)利用因系统控制设备数量减少留下的空间增设飞行员个人物品、食品及娱乐设备;(5)提升座舱内饰,如高级材质、局部贴皮(握杆、手扶部位)等;(6)使用新材料使飞行员个人装具更加轻便灵活;(7)研究并应用通风口降噪和座椅减振技术。

  (作者单位系中航工业成都所)

责编:杨琪
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