兼顾有人/无人模式的eVTOL驾驶舱设计研究

随着世界人口和人均汽车保有量的增加，中大型城市地面交通情况持续紧张。传统的修建地下隧道/高架桥等方式由于边际效应递减难以有效解决交通拥堵问题，因此迫切需要开辟空中交通路线。近年来各国积极推进城市空中交通（UAM）概念落地，大力发展“低空经济”战略性新兴产业，相关利好政策也在不断推出。在城市空中交通领域，eVTOL（电动垂直起降飞行器）具有广泛的应用前景。

自2010年，美国及欧洲等国着手探索eVTOL，并逐渐衍生出了多旋翼、复合翼和倾转旋翼等多样化平台构型。近年来，新能源产业飞速发展，“三电”（电池、电机和电控）技术不断取得突破，电动垂直起降飞行器逐渐具备军用/商用价值。在巨大的市场红利驱使下，老牌航空企业、新兴航空公司、汽车公司纷纷布局eVTOL研发，并逐渐涌现出以美国Joby、Archer，德国Volocopter等公司为代表的独角兽企业。其中，倾转旋翼eVTOL具有高速、舒适、大航程的特点，在交通运输方面具有显著优势，Joby、Archer、沃飞航空等公司推出了一批有代表意义的倾转旋翼eVTOL全尺寸验证机，客观上反映了eVTOL的发展方向。

倾转旋翼eVTOL基本情况及试飞进展

2020年7月，Joby公司研制的第一架全尺寸预生产原型机JAS4-2开始进行飞行测试，相继完成垂直飞行、过渡飞行、巡航飞行，以及最大飞行速度的验证。Joby公司试飞员用第一架2.0预生产原型机上进行了悬停检查飞行，但所有的过渡飞行都是由地面控制站远程驾驶的，驾驶舱没有试飞员。随着技术成熟度与飞行员操作能力的提升，越来越多的飞行员开始深入参与飞行测试活动。

2022年11月，美国Archer公司研制的双座Maker验证机以地面站远程控制方式，成功完成了首次向全翼飞行的过渡，后续进行了一系列的飞行测试，为Midnight四座eVTOL空中出租车项目取证提供技术验证。

在倾转旋翼eVTOL研制过程中，以无人模式开始验证飞行是一种常见的方法。基于降低风险、逐步提升的思路，第一步通过无人驾驶试飞验证，提升技术成熟度、飞行员操作能力；第二步开展有人驾驶飞行，在完成飞行员培训、确定的相关飞行包线基础上进一步进行试飞。

因此，倾转旋翼eVTOL往往需要具备有人和无人双模控制能力，对驾驶舱设计提出了新的要求。

驾驶舱人机工效设计因素分析

倾转旋翼eVTOL以直升机模式垂直起降、以固定翼模式航线飞行。直升机/固定翼模式标准规范对驾驶员人体尺寸、驾驶舱布局、内外视野、操纵装置等方面存在不同的要求，尤其是外部视野、仪表显示、操纵控制等方面。倾转旋翼eVTOL驾驶舱在符合直升机/固定翼模式标准、规范的前提下，还应满足无人驾驶相关的要求。

外部视野

外部视野是指有人模式下驾驶员能够看到的驾驶舱外部区域，对驾驶员获取外部环境信息、安全飞行具有非常重要的作用。无人模式对驾驶舱外部视野没有明确要求。

外部视野是倾转旋翼eVTOL驾驶舱设计过程中的重要一环。以倾转旋翼eVTOL使用需求为牵引，结合国内外相关研制经验，分析驾驶员在不同飞行阶段（垂直起降、过渡飞行、巡航飞行、转换飞行等）对外部视野需求，综合考虑不同模式对应的适航规章、国标等设计要求，通过组合、裁剪等方式建立适用于倾转旋翼eVTOL驾驶舱外部视野要求，开展驾驶舱外部视野设计。

对于常见的并列双驾驶构型驾驶舱，根据AC 29.773等适航规章的要求，驾驶员（以右驾驶员为例）从设计眼位可得到不受妨碍的最小视角直线图见下图，红色区域为直升机模式外视野要求，绿色区域为固定翼模式外视野要求。通过对比分析，直升机模式对前方/下方外部视野有更高的需求，倾转旋翼eVTOL驾驶舱设计应兼顾两种模式对外部视野的要求。

仪表显示

倾转旋翼eVTOL相对于传统飞行器构型复杂，飞行时需要驾驶员监控的参数较多。传统飞行器仪表显示参数主要有：

（1）运动类信息，飞行器高度、高度变化率、速度、过载；俯仰角、横滚角、航向角；攻角、侧滑角等；

（2）状态类信息：飞行器各系统所处的工作状态和工作模式；

（3）导航类信息，导航方式、经纬度、飞行计划、飞行航路、航路点；

（4）告警类、应急处理类信息，故障告警及故障级别，参数告警（极限速度、极限过载、剩余油量等）、状态告警（火警、空速管结冰等）；

（5）健康类信息，飞机各系统健康状况；

（6）地理环境类信息，温度、结冰程度、风速、风向、数字地图等。

在满足以上仪表显示参数的情况下，有人模式下倾转旋翼eVTOL驾驶舱还需要显示飞行模式、倾转角度、倾转同步度、过渡走廊、各旋翼转速等特有的参数。无人模式下，地面站还需要显示链路状态、任务规划等参数。

操纵控制

倾转旋翼eVTOL相对于传统飞行器操纵复杂，对于驾驶员操纵控制能力提出了很高的要求。以一种典型操作程序为例，首先以直升机模式垂直起飞，达到一定飞行高度、速度后开始操作倾转机构，向固定翼模式过渡，期间需要密切关注飞行参数，然后操控升力旋翼停转，以固定翼模式巡航飞行；返航时，先要减速，然后操控升力旋翼增加转速至100%，达到一定高度、速度后开始操作倾转机构，向直升机模式转换。紧急情况下，机组还需要根据所处的飞行模式采取不同的处置程序。

有人模式下，倾转旋翼eVTOL驾驶舱应采用统一控制概念，使用一套操纵系统实现倾转旋翼eVTOL所有飞行阶段的操纵控制，降低驾驶员认知负荷，提升飞行效率。

考虑无人模式操控需求，倾转旋翼eVTOL驾驶舱还需设置有人/无人模式转换开关，用于切换有人/无人模式；根据无人模式飞行过程中控制设备使用需求，将驾驶舱中起落架、灭火、燃油、液压、发动机等系统开关统一采用双模控制设计，既能通过物理开关操纵，也具备远程操控能力。

总结与展望

现阶段倾转旋翼eVTOL存在着显示信息繁杂、操纵控制复杂、驾驶员认知负荷高等问题，安全性水平还有待进一步提高。随着倾转旋翼eVTOL的研究日渐成熟、试飞工作不断取得进展、性能不断完善，几款代表机型也将取证并交付使用，使用范围和任务性质将进一步扩展，以更高效、更实用、更安全的飞行扩大空中出行市场。

未来人工智能算法改进以及计算能力的提升，推动智能人机交互、辅助决策、自主控制等智能化技术在驾驶舱人机系统中的应用，可以进一步降低驾驶员工作负荷，将驾驶员工作重心集中在状态监控、综合决策方面，有效提升倾转旋翼eVTOL人机工效与安全性水平。