教练机用双舱被动侧杆驾驶交互逻辑研究

韩占朋，杨振声，黄勇强，谭 磊

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

电传操纵侧杆驾驶正在成为新机飞控设计的趋势。自空客A320采用侧杆操纵后，随着F-16系列飞机的使用，越来越多的新型飞机都采用了侧杆驾驶装置，如美国 F-35、F-22、B-47，俄罗斯 Su-37、S-37/C-37，法国“阵风”等[1]。

由于侧杆实现方式的差异可分为主动、被动两种方式。与主动侧杆相比，被动侧杆的最大缺陷在于其缺乏反驱装置，进而产生人-机交互信息以及主/副驾交互信息的缺失[2]。这也决定了被动侧杆间的交联是松散的，其中以A320、T-50和F-16双座型为典型代表。而主动侧杆由于采用了电气驱动或电磁驱动能实现双舱之间的联动，目前仅有F-35飞机使用主动侧杆，属于单舱驾驶，尚未涉及双舱之间的交互。随着被动侧杆技术日趋成熟，在型号上使用越来越广泛，对被动侧杆之间的交互逻辑研究变得更加深入。

而国内对于侧杆的研究主要集中在侧杆装置的优点、人感系统设计及侧杆对飞行品质的影响、主被动侧杆的设计等[2-6]。对双舱飞机尤其是教练机的侧杆驾驶交互鲜有提及，本文通过分析国内外侧杆飞机的双舱交互方式，旨在研究教练机适用的前后舱侧杆驾驶交互逻辑，以期为双侧杆飞机双舱交互设计提供参考。

1 国内外现状

被动侧杆双舱交互以空客A320最为典型。其被动侧杆的交联采用触觉、视觉及听觉的方式进行，具体方式如下：

在正副驾驶舱内设置优先级按键、权限指示灯及异侧操纵指示灯。

1）自动驾驶未接通时

优先级按键未按下时，正副驾驶杆的输出代数和作为杆输出，叠加的总和不超过单侧杆最大偏度产生的指令。双侧均有权限指示灯闪亮。

当有优先级按键按下时，另一侧的侧杆输出被隔离，同时有红色箭头指示操作优先级在按下的一侧。如果被隔离的侧杆偏离了中心位置，获取操纵权限的一侧有绿色指示灯点亮，直至被隔离侧的侧杆回中后熄灭。优先级按键松开立即解除隔离状态。

当正副驾驶同时按下优先级按键时，最后按下的一侧获取优先权。侧杆获得优先权超过40s后，另一侧的侧杆被永久隔离，直至被隔离的侧杆优先级按键被按下，解除永久隔离。

2）自动驾驶接通情况下

优先级按键未按下，当侧杆偏离中心位置（超过阈值）时自动驾驶仪被自动切断，同时系统有语音提示及提示灯告警，提示自动驾驶仪已被切断。

当有优先级按键按下时，自动驾驶仪被切断，同时系统有语音提示及提示灯告警，提示自动驾驶仪已被切断。

在军用飞机上，如T-50、F-16及“台风”双座型的前后舱侧杆亦不联动，其工作逻辑如下：在后舱驾驶杆上有一个前后舱操纵切换按钮进行操纵权限的切换，切换时有一个淡化过程，这个过程是混控的，有来自前舱的指令，也有来自后舱的指令。当然也设置了无混控，切换时后舱立即收回权限，这种情况一般在紧急情况下使用。

国内侧杆首次在J20上使用，双舱设计在C919首次使用，目前都尚在验证试飞中。

2 问题分析

与客机相比，侧杆教练机作为培训飞行学员的专用飞机，采用前后舱设计，前舱视野清晰，操纵方便，由学员主导，后舱教员负责教学及监控。与作战飞机相比，侧杆教练机更专注于教学，由于采用电传飞行控制系统，飞机的机动性高，具备超音速飞行能力，飞行过载大，对杆位移更加敏感。飞行学员的驾驶经验、应变能力尚不足以独立驾驶。

另外根据民航实践经验，在进近阶段双侧杆输入易引发飞机撞地、擦机尾、擦翼尖等危险情况，严重危及飞行安全[7]。根据双侧杆输入发生阶段分布图（见图1）可以看出，双侧杆输入主要发生在进近阶段，这对教练机教学尤为不利。

图1双侧杆输入发生阶段分布图

基于以上分析，作为培训学员的教练机，为保证安全，侧杆驾驶交互应保证同一时刻仅有一舱的侧杆输出有效即单舱有效原则。

基于单舱有效原则需解决以下问题：

1）进行操纵权限交接时，飞机的响应是平滑过度且是可控、可预期的，不应存在权限无归属状态。

2）前舱操纵时，后舱教员应能时刻监控前舱学员的操纵，应急状态下应能迅速收回驾驶权限；

3）应能根据提示或告警确认当前的操纵权限归属；

4）前后舱均应能在自动驾驶模态下超控飞机并安全退出或返回自动驾驶模态。

5）任意组合故障不应引起权限归属的混淆、不可控或是无归属状态。

3 提出方案

根据以上分析，结合国内外侧杆飞机的设计，同样采用触觉、视觉及听觉的方式进行，提出以下方案：

前后舱设置操纵允许按钮及权限指示灯，并在前舱驾驶杆头上设置联合操纵按钮，交互过程伴有语音提示、下显显示相应字符。具体交互方式如下。

3.1 正常交接

系统上电默认前舱操纵有效。当权限交接时，接管方发口令“请求操纵”，交接方回答“你操纵”后接管方按下操纵允许按钮，相应权限指示灯闪亮，交接方的指示灯熄灭。指示灯颜色及亮度应避免过多吸引飞行员的注意力。按钮位置及指示灯应便于驾驶员左手操作且具有防误操作功能。在切换过程中伴有语音提示，“前舱操纵”或“后舱操纵”，下显应有相应字符显示。另外，控制律需对两侧杆指令信号进行淡化处理，减小切换瞬态。

3.2 应急交接

任意状态下，后舱教员可直接通过按压侧杆手柄上的联合操纵按钮进行超控。任意状态下，该按钮被按下时后舱的侧杆操纵指令输出有效，该切换过程指令信号不进行淡化处理；此时应有语音提示“后舱应急超控”，后舱权限指示灯亮。超控结束后权限返回到之前的所有者，相应指示灯亮，且有语音提示“后舱超控结束，请谨慎操纵”，此时后舱教员应通知前舱“你操纵”。当联合操纵按钮保持按下超过40s后，后舱取得操纵权限，直至前舱操纵允许按钮被按下。全程下显应有相应字符显示。

3.3 自驾模态下的切换

在自动驾驶模态下，前后舱均可通过按压联合操纵按钮进行超控或直接操纵驾驶杆（超过阈值），切断自动驾驶，同时系统有语音提示及提示灯告警。按压结束或杆回中后自动接通自动驾驶。

3.4 故障处置

可能的故障包括前/后舱操纵允许按钮故障、前/后舱联合操纵按钮故障、前/后权限指示灯故障、语音故障、下显故障，故障处置及权限归属如表1所示。

表1侧杆交互故障处置

根据表1所示，任意组合故障下权限归属清晰，保证任意时刻单舱有效，满足设计要求。但同时应注意到前舱操纵允许按钮故障情况下对驾驶交互影响较大，前舱无法二次获取权限，而后舱联合操纵按钮故障情况下，一键超控功能失效。在极端情况下，所有指示状态的缺失使驾驶员无法确认当前的权限归属，仅能通过飞机的响应来判断，具有潜在的危险性。因此针对上述薄弱环节，设计时可采用多余度管理技术减小这种故障的概率，并在飞行过程中监控各按钮功能是否正常，且在故障情况下及时提醒驾驶员。

4 优缺点分析

设置操纵允许按钮及联合操纵按钮可向驾驶员提供直接的触觉提示，根据经验，驾驶员在飞行过程中注意力一般90%以上放在飞机舱外，而其对舱内的仪表板关注不足10%[8]，因此直观的触觉提醒可大大减小飞行员的负担，避免不必要的注意力分散。

后舱侧杆杆头上的联合操纵按钮允许后舱教员一键超控，在应急状态下尤为重要。

另外，权限分割清晰，不存在双侧杆均有效的情况，驾驶员仅根据权限指示灯的亮灭即可判断出当前权限所有者。

与空客切换逻辑相比，去除了混合控制逻辑，增加了杆头联合操纵开关、一键超控功能，更强调后舱教员的优先级，利于教学。与作战飞机相比，双舱交互更倾向于人机交互体验，与被动等待权限交接相比，更强调前舱的主动接管。

5 结论

本文通过分析国内外侧杆飞机双舱驾驶交互逻辑，提出一种教练机适用的权限接管方案，指出其应有的设计原则及方案设计。最后对此方案的优缺点进行了分析，以期对同类飞机的设计提供参考，后期尚需驾驶员进一步在环验证。