奇妙的航空工效学

刘　娟　张信民　刘宝善

1903年，莱特兄弟将人类带入动力航空时代。自那时起，提升飞机的性能成为了航空先驱们的第一要务。他们希望飞机的每一克重量都能够产生升力，而飞行员要做的就是如何适应，更确切的说是如何迁就这些冷冰冰的飞行机器。这样的情形一直发展到了第二次世界大战。此时的飞机以远非当年用59秒飞行260米的“飞行者”可比。它们的航程更远、速度更快，从侦察、运输到截击、轰炸，高性能的飞机已然渗入到了战场的各个角落。也就是在此时，设计师们逐渐发现，让飞机性能更进一步的已不仅是飞机本身。

如果说，当年的奥维尔·莱特以一种极度兴奋的状态趴在飞机上飞行59秒算是一种享受，那让美国的B-29机组人员以这样的状态飞行几个小时，跨越半个太平洋完成轰炸日本本土的任务简直就是异想天开。二战时，飞机的性能达到了一个全新的境界，更高的飞行高度和速度以及更长的飞行时间已经开始挑战人体生理和心理承受能力的极限。科研人员们必须针对飞行员的生理和心理特点做点什么了，否则飞机的性能发挥会因人的因素而大大受限。20世纪40年代，一门志在解决人与机器发生相互作用时减少差错、提高效率的学科——人类工效学开始兴起。二战时，各航空强国将人类工效学的研究方法应用于航空制造业。于是，人类工效学的一个重要分支——航空工效学诞生了。

与航空工业的脉搏一齐跳动

简单的说，航空工效学是研究如何让飞行员与飞机良好匹配的学科，或者说，飞机要如何设计才能“以人为本”，进而避免飞行员为克服那些“不人性化”的设置而带来体能和精力上的损失，全心全力的投入到作战任务中去。作为人机交互的桥梁，飞行座舱是航空工效学研究的重点部分。英国剑桥大学心理实验室在试验研究后就曾得出结论：飞行员的飞行技能与工效很大程度上依赖于座舱中显示与操控系统的设计、布局以及可理解程度。这样的结论看似简单，实则不然。航空工效学的研究绝非把飞行仪表盘做得大一点，或者把座椅调整得舒适一点那么容易。自二战以来，航空工效学一直伴随着航空技术的进步而发展，换句话说，航空工效学需要坚实的航空工业实力为基础。解放前，中国几乎没有航空工业，因此也谈不上什么航空工效学的研究了。1950年，朝鲜战争爆发，我国引进了大批苏制米格战机赶赴朝鲜参战。由于苏制飞机都是按照苏联人的工效学标准设计的，所以很多设计并不适合中国飞行员的身体特征。此外，苏联在航空工效学的发展上也落后于西方。按照当时工效学的标准，米格-15在操纵性和舒适性上并不及美国的F-86，飞行员也没有配备抗荷服。面对飞机设置的不适，志愿军飞行员们只能被动地克服。1953年，航空工业被列入第一个五年计划的国家重点项目，新中国进入了航空装备引进生产和发展的新阶段。我们要造适合中国人驾驶的飞机，航空工效学的发展迫在眉睫。

1954年空军航空医学研究所建立，标志着我国正式开始了航空工效学的研究。在研究所建立初期，经周恩来总理批准，把心理学家陈祖荣教授从浙江大学调到该所，开创了新中国航空心理学、飞行错觉和航空工效学的研究工作。50多年来，空军航空医学研究所科研人员全面开展了视觉、听觉、控制和负荷等方面的工效学研究以及人体测量学研究，并开展了工效学国家军用标准的制定工作，直接参与了航空工业各种新型号工程飞机的研制工作，取得了丰硕的科研成果。

显示系统的人性化进步

作为人机信息交换的最直接平台，机载显示系统的设计颇为讲究。从字面上看，显示系统似乎只与眼睛有关。应该说，这样的认识最多只能算是对了80％。飞行员在空中飞行时，80％的信息依赖于视觉获取，而听觉则是视觉的重要补充。因此，机载显示系统，应当分为视觉显示系统和听觉显示系统。

各种飞行仪表应该是较为原始的视觉显示系统。随着飞机性能的提高，后来的飞行员已经不能像早期的飞行前辈那样，仅仅依靠感觉来驾驶飞机，他们越来越依靠判读各种飞行仪表以随时了解飞机的飞行参数。油量表、速度表、水平仪、高度表……目前无法考证飞机上的这些仪表的“登机”时间谁先谁后，但可以肯定的是，随着飞机性能的提高，飞行员必须掌握的参数也越来越多，与之相辅相成的是机上的仪表数量也越来越多。到了朝鲜战争时期，米格-15和F-86的仪表数量都接近20块左右。就感官来说，中国人和外国人相比在判读仪表上也没有什么太大的差别，就像一个在莫斯科买的时钟回到中国照样适用一样。

仪表的数量的增加看似可以为飞行员提供更为丰富的飞行参数，但这种设计只考虑了显示信息的全面性而没有顾及界面的友好性和交互性。在某种程度上，数量过多的仪表反而帮了“倒忙”。道理很简单，飞行员在某一时刻只接收针对当前操作关系最为密切的信息，这样一来，其它大部分信息在此刻相对飞行员来说都是无效甚至是干扰的。数量过多的仪表导致飞行员每次都要花上一定的时间对重要数据进行选择性的读取。在非紧急状况下，这点时间似乎无关紧要。但在飞机进场、武器瞄准或者地形跟踪这些紧急飞行状态下，飞行员反复寻找相关仪表读取参数无疑会分散飞行员的注意力。

矛盾源于仪表的空分制显示方式(占据固定空间位置始终显示同一信息)上，解决这一矛盾的唯一方法就是将空分制改为时分制——即按飞行任务的需要在同一位置显示不同的信息。

上世纪50年代以后，阴极射线管技术(CRT)逐渐完善。随后，以CRT技术为核心的电视逐渐普及到每个家庭。CRT的特点是能够根据传八信号的不同，在同一块荧光屏上显示不同的画面，这正是航空工效学科研人员们梦寐以求的时分制显示特点。另外，CRT还可以显示更为便于识别的图像符号。三十年前，CRT用图形显示的方式开始取代某些机电仪表。图形显示方式直观、方便、灵活，复杂的飞行状况变得一目了然。由于CRT技术较为成熟，曾一度成为座舱显示器的标准配备。但随着新技术的发展，CRT显得越来越不适应。因为它体积大、重量大、能耗高不说，其为成像所产生的高压电也容易引起麻烦。取而代之的是具有体积小、重量轻的有源矩阵彩色液晶显示器(AMLCD)。另外，现代战斗机还配有平视显示器(简称平显)，加上彩色液晶的多功能显示器(简称下显)，即形成所谓“一平二下”或者“一平三下”的飞行座舱视觉显示布局。由于采用这种显示布局的座舱给飞行员显示的信息清晰明了，因此被称为“玻璃座舱”。为了对机载武器更为便捷的操作，少数高性能战斗机还配有头盔显示系统，便于战斗机进行近距格斗。

我国战斗机的座舱视觉显示系统的研制总体上和世界上三代机的水平相当，这一点从2009年巴黎航展上亮相的L-15教练机座舱模拟器上就可以看得出来。相对

于传统的飞行仪表，时分制的多功能视觉显示系统有着更多针对中国飞行员的工效学要求。比如，汉字如何排列才最易被飞行员判读、字体使用什么颜色、亮度为多少、字号是多大、液晶显示器的背景照度为多少才合适等等。这些看似无关痛痒的小问题，都直接关系到飞行员对于飞行参数的读取。相关参数的定义需要航空工效学科研人员们通过大量试验得出的数据作为支撑。

作为视觉显示系统的重要补充，座舱听觉显示系统主要向飞行员提供告警、通信、指挥引导和情报互换等功能。其中，话音告警系统是当前航空工效学研究的重点。而工效学的主要研究方向就是如何以更好的告警方式对飞行员进行提醒，也可以理解成如何才能让飞行员更容易地注意到告警信息。

声音一般都含有若干要素——音调、响度、发生方位以及话音内容。按照我们平时的理解，响度越大的声音应该更能引起人的注意。应该说这样的认识并没错，但在实际使用中，声音的响度绝非越大越好。我们小时候大都有这样的恶作剧经验，一个小朋友趁另一个小朋友不注意，突然在其耳边大喊一声。那个小朋友往往会因为没有思想准备而会被突如其来的响声吓哭。同样道理，突然响起一个高分贝的报警声带给飞行员的不仅是告警信息，可能还有更大的干扰和惊恐。在突发紧急情况时，这样的报警无异于火上浇油。

在实际应用当中，工效学科研人员往往是通过对告警内容的编辑达到提醒飞行员注意的目的。试验证明，人对自己的名字非常敏感。警察在逮捕嫌疑犯前往往会先喊一下嫌疑犯的名字用以确定其身份，而嫌疑犯也大都会不由自主的“配合”。警察可以利用人的这个特点执行任务，工效学专家们则用它来设计针对每个飞行员的个性化告警信息。实践证明，在所要告警的内容前面加上飞行员的名字后，即使不是很高的音量，也能迅速提醒飞行员的注意。

另外，飞行员在完成某项动作时，也会对关于这个操作的信息有很强的倾向性。即使不提飞行员的名字，也能很好的提醒飞行员注意。比如，在飞机着陆时，有关着陆操作的语音提示就不必用太大的声音响度。除此，第四代战斗机座舱内装配有三维话音告警装置，不仅能显示告警信息，还能告知方位信息，如某一方位的“敌导弹”信息。

人性化的操纵控制

如果显示系统是让飞行员接收飞机的状态信息，那么控制系统则是向飞机传递飞行员对信息的反应。可以说，显示系统和控制系统的工效学研究是航空工效学的两个核心内容。和国外的飞行员不同，中国的固有传统或者生活习惯可能在飞行员操纵习惯的养成中形成某种特性。航空工效学科研人员们就是要对这些特性进行针对性的研究和分析，设计出更为符合中国飞行员的飞行控制系统。

众所周知，飞机的自动化是现代航空技术的一大趋势。在新型飞机的研制以及老飞机的改进升级中，对控制系统的自动化改进也是一个重要的工作。然而，飞行员并不会觉得飞机变得越自动化越好。在有关飞行安全或者武器使用方面，飞行员更希望能够自己把握。试验结果表明，飞行员认定为高需求的人工控制环节有6个：即驾驶杆、发动机“战斗-训练”选择开关、发动机油门杆、起落架收放开关、供氧抗荷系统氧气调节器供氧成分选择(纯氧、混合氧、空气)开关和停车卡销。这些设置全部涉及到飞机的滑出／起飞阶段，在控制系统设计时，这一阶段必须让飞行员人工介入飞机操纵，完成必不可少的控制动作。

除了自动化以外，小型化、集中化和多功能化也是新型高性能战斗机人工控制设计的重要趋势。典型的设计就是油门杆和驾驶杆中握杆操纵技术的应用。将飞机操作的功能键集成在驾驶杆或者油门杆上，飞行员便可以在进行飞行控制的同时完成雷达搜索、目标锁定、武器选择和投放等操作。握杆操纵技术增强了飞行员对飞机的控制能力，是新式战斗机的标准配备。但在实际使用中，工效学科研人员也发现握杆技术大大增加了手指控制的复杂性，增大了误操作的概率。目前，一些更为直接、自然且不易出错的控制方法正在研究当中。欧洲的“台风”战斗机就率先采用了语音控制技术。但实现这一功能的声码器目前能够识别话音的频谱有限，这使该技术的广泛推广受到限制。

负荷工效学研究

飞行员工作负荷工效学研究是航空工效学研究的重要方向，它对于保障飞行安全、保证军事作业绩效方面都具有重要意义。50多年来，中国在负荷方面的工效学研究经历了从无到有，从发展到完善的过程。在航空工效学领域，负荷研究有两个主要方向：其一，研究人适应机，即根据飞行劳动负荷的特点，研究如何提高飞行员的飞行耐力；其二，研究机适应人，即依据飞行员生理心理特征研究如何研制和改进飞机的驾驶性能。具体地说，就是设计一个好的系统，绩效不是唯一的，考虑某项任务对操作者的能力有什么样的要求也同样重要，既不能让没有“金刚钻”的人去干“瓷器活”，也不能“用高射炮打蚊子”。

工作负荷绝非越低越好，在许多情境下，过低的工作负荷水平会对人的活动产生消极的影响，就像在曾经的一个求职网站广告中，那个随着翻动一页一页的文件盖章而渐渐变老的人一样。一般来说，工作负荷的提高并不一定导致“差”的结果。但是，过高的负荷，尤其当这种过高负荷持续存在时，就会适得其反可导致应激。应激会使人们信息加工的能力发生改变，最突出的是速度，准确性互换特性发生改变。此时人们更倾向于放弃准确性而追求速度，从而影响绩效。

因此应当为飞行员提供某种程度的灵活性，让他们学会自我探索——即在工作负荷较低时寻找任务，而在工作负荷过度时摆脱某些次要任务，最后让自己逐渐达到工作负荷的“最佳水平”。可见，适当强度的工作负荷是设计者们追求的理想目标，而适应性的反复训练是航空任务中一个必不可少的科目。

与时俱进的人体测量学研究

要设计出适合中国飞行员的航空装备，人体测量学必不可少。飞行员人体测量数据是飞机座舱和飞行员个体防护救生装备设计研制的最基本依据。首先，飞行员的人体测量数据是飞机座舱设计的关键，如坐姿眼高决定仪表板的位置，手臂可及范围决定控制按键的位置，膝高决定座椅的高度等。飞机座舱是飞行员工作的特定空间，座舱空间的设计应使显示和控制器件、操纵台、仪表板、救生装备的设计与配置等适应飞行员的人体特征。根据飞行员人体测量数据并借助统计学定出设计标准，保证飞行员在正常情况下能够采取正确、舒适的姿势飞行，在应急情况下又能实现安全逃生。其次，飞行员的人体参数是其个体防护救生装备的主要设计依据，飞行员使用的装备(包括服装、头盔面罩、座椅等)必须适合我国飞行员的体型特征，才能保障他们正常、安全、高效地驾驶和操纵

飞机。

在新中国建立之初，我国个体防护救生装备沿袭苏联款式，结果发现根据苏联制式设计的服装适体性很差。出现这一问题的原因在于俄罗斯人属于短躯干、亚长腿型人种，而中国人则属于长躯干、亚短腿型人种。不同体态特征的人穿着同样制式的服装必然会出现不适应的现象，比如上衣短、裤子长。另外，头盔、面罩也由于人种体态差异的原因而存在头盔压头和面罩压鼻子、漏气的问题。不适体的飞行装备不仅使用不便、影响对飞机的操纵，在某些时候还会影响飞行员的生命安全。

为解决这一问题，航空医学研究所于1958年进行了我国第一次飞行员人体测量工作。依据测量结果对我国飞行员头型、面型和体形进行了划分，提出了加压供氧盔、加压供氧面罩以及高空代偿服的型号划分、基本参数、生产规格和比例。此外还提出了座舱的宽度、高度、座椅的规格等基本数据。研究结果及时满足了我国设计研究飞机救生装备的需要，对空军部队的建设和保障飞行员的安全起到了关键作用。

理论和试验结果都证明，飞行员的人体数据在不断发生变化，按照人类学的发展规律，人体测量数据每隔10年左右就应当更新。20世纪50年代的飞行员数据已不能达到后续飞机研发的要求。因此，空军航空医学研究所分别于1974年和2000年又进行了两次大规模的人体测量工作。每次测量不仅要更新过去的人体数据，还要根据当时的技术发展方向，针对性的进行相关人体参数的数据储备。比如在1986年，就根据战斗机握杆操纵技术的发展方向有针对性地进行了飞行员的手部尺寸测量，并用自行研制的“手指功能评定器”在静、动两种状态下实测了飞行员双手十指的反应时间和正确率，对手指运动功能做出了评测。该成果已制定出国家军用标准，是我国设计和研制各种军用飞机中央杆式驾驶杆和手扶式油门杆的技术依据。

尾声

细节决定成败，这句话用在工效学上最恰当不过。如果说发动机为飞机提供的是动力、机翼为飞机提供的是升力，那航空工效学的作用便是在人与飞机之间提供的润滑剂。只有人机之间更好的磨合，才能得出“1+1>2”的结论。与其他航空技术的发展一样，航空工效学的发展同样需要与时俱进，空军航空医学研究将义无反顾的承担推进学科发展的重任。

责任编辑：新浜