教练机人机界面分析

2019-06-25王庆伟田颖华

教练机 2019年1期

王庆伟，田颖华

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

教练机是战斗机飞行员培养体系中的重要一环。飞行员的飞行习惯在训练阶段逐步确定成型，如果在这一阶段无法向飞行员提供一个良好的人机界面，飞行员很可能养成一些不良的操纵和观察习惯，为后续作战阶段飞行埋下较大隐患。

随着航空电子技术的发展，已经很难再看到一款新研飞机座舱里布满了密密麻麻的各种类型仪表和独立控制开关，各种开关按钮散乱的布置在仪表板和操纵台的各个位置；代之以整洁、高效、综合化程度高的玻璃座舱，仪表板上布置有光电类型显示器，采用图形、数字等综合显示方式显示各类导航、通信、攻击、状态信息；各种开关按钮进行整合，按功能分区整齐的布置在座舱内。作战飞机对飞行员的观察能力、操纵要求已经与以往二代战机完全不同，飞行员必须在整个训练阶段尽早熟悉新的显示和操作方式，如果仍拘泥于传统仪表方式人机界面，培养出的飞行员将难以适应新时期训练科目的要求，难以驾驭新一代作战飞机。因此需要根据技术发展与训练需求的变化，对教练机的人机界面进行深入研究，确保在未来较长的一个时间段，教练机的人机界面能够满足训练的需求，同时与新一代的作战飞机具有良好的衔接性，便于飞行员养成良好的操作习惯。

1 国外教练机人机界面

1.1 PC-21教练机

PC-21是瑞士皮拉蒂斯公司研制的一款新型教练机。前舱装有平视显示器，作为飞行时的主显示器；前后舱仪表板各安装有3台152×203mm的液晶显示器（见图1），中央的液晶显示器为主显示器，飞行员可以通过显示器周边按键和正前方控制板按键控制两个液晶显示器，分别显示导航、任务、系统以及战术数据；两台辅助备份显示器分别显示备份导航和发动机数据。

1.2 EMB-314“超级巨嘴鸟”

EMB-314是巴西航空工业公司研制的一种基础教练/轻型攻击机。

该机前座舱安装有平视显示器，前后舱各装有两台液晶显示器（见图2），采用常规备份仪表。

1.3 KT-1教练机

KT-1教练机是韩国宇航公司研制的基础教练机。

前舱安装有一台平视显示器，前后舱仪表板上各装有3台多功能液晶显示器（见图3）。中间显示器为主显示器，显示飞机的主导航信息，左显示器主要显示飞机状态信息，右显示器主要显示发动机数据。备份显示为一台3英寸液晶显示器，无常规备份仪表。

图1 PC-21教练机座舱布局

图2 EMB-314教练机座舱

图3 KT-1教练机座舱

1.4 T-6A“德克萨斯人Ⅱ”教练机

T-6A“德克萨斯人Ⅱ”教练机是美国比奇飞机公司在瑞士皮拉蒂斯公司PC-9教练机基础上发展的全特技初级教练和导航员教练机。

每个座舱安装有两台5英寸的有源矩阵液晶显示器（见图4），上方的显示器为垂直画面显示器，显示飞机的姿态、角速度和定位/下滑信标偏移，下方显示器为水平画面显示器，显示航向、定位/下滑信标偏移、远距地图；另装有小型多功能显示器，提供发动机和辅助仪表显示；备份仪表包括姿态、空速、转弯侧滑仪和应急磁罗盘。

图4 T-6A教练机座舱

1.5 T-6B“德克萨斯人Ⅱ”教练机

T-6B教练机是在T-6A教练机基础上换装先进版综合航电的型号，与T-6A的主要区别如下：

1)增加平视显示器；

2)增加正前方控制板；

3)增加综合备份显示器；

4)换装3台6×8英寸液晶显示器（见图5）；

5)取消综合告警显示器；

6)取消常规备份仪表。

图5 T-6B教练机座舱

2 教练机人机界面需求分析

2.1 飞行员的人机界面需求

飞行员是飞机控制的决策者和操作者，控制显示设备是飞机控制的输入端和执行者，对于飞行操纵，这两者的关系是紧密结合在一起的。因此，首先需要对两者的需求关联性进行分析。

飞行员首先是作为一个有机生命体存在，其获得外界信息绝大部分是通过眼睛实现，眼睛识别出各种颜色、文字、数字，这些信息经过大脑的分析，转换成飞行员对这些信息的判断，从而帮助飞行员作出决策；飞行员的决策主要通过座舱内的控制设备实现，通过对各种控制设备上的按键、旋钮、开关的操作，将飞行员的意图传递给飞机的各个系统。

飞行员对人机界面的主要需求见表1。

表1 飞行员对人机界面的需求

2.2 显示界面的需求

飞行信息显示的发展已经历五代，分别为简单的机械电气仪表、机电伺服仪表、综合指引仪表、电子显示仪表和综合电子显示系统。按仪表的指示方式可划分为仪表指示、综合显示，相应的飞行员飞行方式可划分为目视飞行、仪表飞行、平显飞行和头显飞行。

早期飞机主要采用独立式的机械电气仪表、机电伺服仪表、综合指引仪表，这些显示设备密密麻麻的分布在飞机座舱内仪表板、操纵台上，飞行员在飞行过程中需要经常通过转移视线或转动头部，将注意力从观察外界转移到观察座舱显示，以获取飞机状态信息和态势信息，这对于需要高度保持警觉性的飞行员来说是一件痛苦的事情。飞行员需要不断的转移注意力和转动头部，在实际作战时很可能在瞬间没有注意到重要的外界信息，而且必须有良好的记忆能力，在4至5秒内观察、判读、记忆大量的飞行信息，同时根据这些飞行信息作出必要的判断。

飞行员的正前方视野是最好的显示区域，受不同年代航空电子技术的限制，这块区域长期被瞄准具占据，只能在攻击时提供有限的瞄准信息，无法在整个飞行过程中向飞行员提供综合性的显示信息。平显的出现，开始充分利用这一区域提供综合显示信息，把飞行员的主要注意力从座舱内转移到座舱外，初步解决了飞行员内外视矛盾和信息综合显示问题。以平显为分界线，前后形成两种飞行习惯，即“数据保持”习惯和“情景意识”习惯。

数据保持：在飞行过程中，保持某一个数据在一定范围或在某一个飞行时间内保持速度、高度或航向等参数的某一个值不变，易使飞行员的注意力集中在座舱内，不利于形成情景意识（即不利于作战）。

情景意识：通过对当前飞行状态的认知，对未来飞机运动趋势进行预判，以及对期望达到状态的驱使，降低了飞行员对座舱内各指示信息的注意力，有利于形成情景意识（即利于作战）。

平显显示区域下方是一个特殊的区域，这个区域由于拆装平显等需要，不属于仪表板的范围，同时又处于飞行员最佳的观察视场区域内，二代机往往在此安装有瞄准具的控制开关、按钮，在整个飞机使用寿命中用到这些开关、按钮的时间极少，存在较大的空间资源浪费。三代战机开始在这一区域安装有正前方控制板，这是一种同时兼具显示和控制的设备，飞行员可以在这一设备上选择航线、控制无线电波道、调节场压等等，使飞行员在操作航空电子系统时既可以观察到数据信息，又可以方便快捷的进行控制操作。

平显的视场比较有限，为了能够同时观察外界，显示信息也不能排列的过于密集，这就造成不可能将所有的信息都放置到平显上进行显示。同时，目前使用的平显主要是单色平显，无法实现多种颜色显示，雷达信息、态势信息、告警信息、应急处置信息、飞机各系统状态参数难以完整的实时显示在平显上。因此，必须在飞行员可观察视场内提供其他的显示设备，提供大量的辅助信息。在早期的二代飞机上，这一工作主要由各种仪表、雷达显示器、告警灯盒、全向告警显示器等完成，飞行员必须在4至5秒内观察完各种显示仪表设备的数据和信息，受限于座舱空间限制，这些信息内容十分有限，显示也比较分散，难以帮助飞行员获得形象、直观、完整的信息，必须提供另外一种辅助显示器，采用综合显示方式，能够完整的显示各种在平视显示器上不能实时显示的信息，在三代飞机上，这一工作主要由各种尺寸的多功能显示器完成。

新一代作战飞机均配置有平显、多功能显示器和正前方控制板，从人机界面的衔接性来说，如果教练机仍然采用二代机的座舱设计理念，配置大量的常规仪表，采用仪表显示和分散控制方式，飞行员从训练阶段进入作战阶段后，将面临一个完全陌生的座舱人机界面，需要从零开始熟悉各种显示和操作，花费较多的时间通过飞行重新熟悉综合化的显示方式，这些仅仅通过地面模拟器训练是很难完成的。这种由于人机界面不衔接所导致的飞行训练，增加了训练阶段飞行架次，延长了飞行训练的时间，增加了训练阶段所需费用。因此，为了保证教练机与作战飞机在人机界面的衔接性，教练机也需要采用综合化的信息显示方式，配置有平视显示器、正前方控制板、多功能显示器等综合显示设备。

2.3 控制界面需求分析

二代飞机控制界面比较杂乱无章，主要表现在：

1)主要采用大量独立的开关、按钮，缺少综合性的控制面板

进入早期飞机的座舱，吸引人眼球的除了仪表板上密密麻麻的仪表外，就是无数分散布置在仪表板、操纵台，甚至结构口框上的大量开关、按钮了，这些开关往往有上百个之多，控制着飞机上的各个系统或设备。人们往往会发出这样的感叹：“飞行员的记忆力真好！”但是，这些开关实际上给飞行员带来的更多是痛苦，飞行员也不是超人，他们没有比其他人更好的记忆力，所以他们只能一遍一遍的熟悉这些开关、按钮，牢牢记住每个开关按钮的位置、功能，清楚每个开关或者按钮应该在何时打开，何时关闭，哪些是有关联性的，需要先开哪个后开哪个，导致错误操作的概率增高，训练难度很大。

2)开关的方向布置较随意

飞机上的开关都是两位或者三位开关，在飞行各种阶段，经常出现集中放置在一起的开关有的需要打开，有的却需要处于关闭状态。飞行员往往根据座舱开关的位置自己编制大量的口诀帮助记忆，比如“XX状态左前开关板前二后三”表示左前的开关板上开关在某个飞行状态需要保持两个开关打开、三个开关关闭。这些口诀是飞行员无奈采取的一种措施，因为座舱开关设计时只考虑了能够布置下，而没有考虑到飞行员快捷操作的需求。飞行员希望的是与某种状态相关的开关布置在一起，用一只手即可全部打开，而不需要一个一个去确认这个开关是否需要打开。在实际使用中，如果口诀记忆错误或者忘记，很可能引起误操纵，严重的还会导致发生重大飞行事故。

3)武器控制操作较多

“战机稍纵即逝。”这是每一个飞行员都牢牢记住的一句话，武器的攻击区域是十分狭窄的，飞行员必须在这有限的时间内完成目标的捕获、目标的确认和面对目标的攻击。但是座舱内相关的武器控制却使这一有限的时间再次被压缩，如果需要进行一次对地攻击，飞行员可能需要首先打开武器电源的开关，在武器控制盒上选择武器类型，选择攻击方式，选择投放的数量，设定好攻击数据，完成这些繁琐的步骤后目标可能早已丢失，影响整个任务的完成，甚至可能反而被敌方战机抢占有利攻击位置，导致本机存在较大被击中风险。

随着国内对人机工效的研究，新一代作战飞机已经摒弃了传统的控制界面思路，向以下方向发展：

1)座舱内控制由各种杂乱无章的机电式控制开关，变成了大量的可编程按键、多档位控制开关，节省了宝贵的座舱空间。例如航空电子系统的大部分控制都可以在正前方控制板、多功能显示器上通过显示窗口和周边按键的组合显示控制完成。这些控制开关根据系统状态和模式，在各种画面下的含义是不同的，这样就避免为单一功能设置开关，使控制开关可以复用，降低了对座舱空间的需求，同时也方便了飞行员的操作。

2)很多控制由计算机根据飞机和航电综合控制，比如航空电子系统启动板，这个设备上的一个控制按键可根据事先设定的控制逻辑，在不同状态下控制多个设备的工作状态，而非像老式飞机的控制开关，需要飞行员根据飞机或航电的状态去一个一个的开关设备。

3)各种独立控制开关按照功能分区进行设置，例如发动机控制区、机电设备控制区、照明控制区等，同时在各区域的导光板上用清晰的线条标明各种开关之间的关系，方便飞行员的操作。

4)双杆控制

双杆控制可以说是现役作战飞机的基本要求，简单说就是飞行员通过油门杆和驾驶杆上的控制开关，快速的实现模式切换、目标瞄准和跟踪、武器快速选择和发射；配合座舱的综合显示，可以使飞行员在训练飞行和作战中直观、快速的完成航电控制和武器攻击，缩短了飞行员的反应和操作时间。