空间定向障碍对航空领域的影响及降低事故率训练研究

张 琳，姚 钦，刘 娟，赵显亮，刘 琳，白 霜，刘启明，郑颖鹃

空间定向障碍（spatial disorientation，SD）是飞行员在空中飞行时，由于视觉、前庭、心理的同时作用而对飞机姿态做出错误判断的感觉，这种感觉往往会导致严重的飞行事故。Benson指出飞行员SD事故最早可以追溯到1913年，美国空军在2005年将SD纳入仪表飞行程序手册，并将SD定义为飞行员无论飞行经验熟练程度如何都会对飞机姿态和平显参数产生误判，使飞行员出现感觉差异［1］。而随着各国空军飞行工业制造技术的日新月异，尤其是高性能飞机在载荷、速度、角加速度［2］的不断优化，从而对飞行员的空间动态飞行环境认知能力［3］提出了新的考验。

1 SD的成因

SD成因复杂，这与飞行员的空间定向感觉器官、心理状态、飞行经验、应变能力、仪表状态及外在气象条件都有关。就感觉器官而言，通过飞行员自身视觉系统观察到的外界信息占比为0.8，前庭系统感受的空间信息占0.1，本体觉感知人体平衡占0.1［2］。说明视觉系统在空间定向障碍形成的整个过程中起到了至关重要的作用［4］，与此同时，这也是把“双刃剑”，即眼见不一定为真。因为当人眼在观察事物的时候，绝对视觉方向是由双眼视网膜的眼中心方和注视方向决定［5］，而在空中随着飞机姿势、速度的不断变化，舱外视景也随之不断变化，从而形成视觉感知与平显仪表参数不对等的感觉；前庭系统中半规管和耳石器分别感受角加速度、重力和线加速度，最后由本体觉的中枢系统翻译传输至大脑形成空间定向知觉［6］，而这种知觉是建立在空中多维立体几何空间，同时伴有速度、重力、角加速度的变化。这就极易使飞行员出现SD，这也是飞行员空晕病、眩晕的主要原因［4］。

2 由SD引起的事故率和致死率占比高

SD引起的事故率和致死率呈逐年增高趋势。1958—1968年美国空军6%的飞行重大事故都与SD有关；其中SD事故致死为75%；从1976—1992年，美国国家运输安全委员会报告了1 022起致命事故，其中SD是一个重要因素，约占所有致命事故的15%；在1980—1989年365起飞行事故中有270起是由SD引起的；在1989—1991年之间，美国空军14%飞行事故都与SD有关［7］；1994—1998年发生的事故中，SD导致的事故发生率上升到27%。澳大利亚在2007年的SD安全调查报告中指出，飞行员在飞行生涯中出现SD症状的概率为90%～100%，事故致死率在6%～32%之间，占所有航空事故致死率的15%～26%；美国海军在2001年发生了19起A类事故，其中26%是由SD引起的，占死亡总人数的50%［1］。我国空军近年来发生的多起飞行事故都SD相关。

3 SD昼夜事故特征

由于昼夜能见度的差别，夜间飞行能见度差，因此SD事故的致死率相比白天要高。美国空军针对昼夜SD致命率进行了统计（表1），这项统计调查也证实了夜间SD坠毁与致死率高的联系［8］。美国陆军直升飞机从1987—1995年发生的291起飞行事故中有87起归因于SD，而这其中事故的10%都发生在夜间［1］；美国海军在1990—2000年的A类事故中，有20%的事故是由SD引起的，其中50%是在夜间发生的，占所有事故的64%；美国空军2006年对1990—2004年的飞行事故进行调查发现，11%的事故是由SD引起的，23%的夜间事故是由SD相关因素引起的，调查结果的致死率更惊人，因为SD占所有事故的57%，夜间致死的占81%［1］。昼夜飞行从外在环境分析是因为前庭或本体感受信号在白天会被视觉输入覆盖，因为飞行员通常可以根据地面参考信息来确定他们相对于地球的方位。然而，当能见度在恶劣天气或夜间受到限制时，飞行员必须使用姿态指示器，并与座舱内安装的其他仪器配合，以确定自己的方位［9］。这就使得视野受限，导致SD夜间事故致死率高发。

表1 美国空军发生在白天黑夜SD比例及SD致命率［8］[例（%）]

4 不同类型飞机的SD坠机和致死率

针对飞机类型和SD坠机率及致死率的调查研究，美国空军曾对7种以上包括攻击机、单双座机、直升机、教练机、运输机、轰炸机等做了数据统计（表2）。可以看出A-10、A-7、F-16由于在机动性上具有高加速度、高加速度增长率、高角加速度和高认知负荷的特点［10］。在发生SD时坠毁率和致死率都偏高。荷兰发现73%的荷兰皇家空军飞行员描述在F-16战斗上产生的SD比其他机型要多［8］。Gillingham发现在F-15和 F-16的事故中有三分之一是SD引起的，主要原因是由于F-15和 F-16机动灵敏度高，座舱盖更大及使用了抬头显示器［8］。当SD事故的数量以飞行小时数的比例计算时，战斗机/攻击机或直升机的SD事故发生率是非战斗机/攻击机、固定翼飞机的5倍以上［9］。

表2 美国空军SD坠毁率（每百万架次计算）和飞机类型致死率［2］

5 新型作战创新设备增加SD的风险

目前各国军事航空针对机载创新技术的应用有增强夜视系统、三维音频、振动触觉暗示、新符号学、自动恢复系统等［11］。在新技术给飞行带来创新的同时，也增加了SD的风险，比如夜视设备和头盔显示器虽然可以增强飞行中的态势感知。但包含了导致SD发生的潜在因素，如对比度差、视力下降、有限的视野、深度线索减少等，据统计有2/3的直升机SD事故中都使用了夜视辅助设备［11］。因为在晚上夜视镜增强了可用光图像，使飞行员能够在低环境光线下操控飞行高度。但随着图像的退化，视觉灵敏度和对比敏感度降低、视野狭窄等原因，生成的图像都会有所变化。佩戴夜视镜其深度感知能力相当于单眼的裸眼视力，减少的视野狭窄会导致周围视觉线索丢失，视野狭窄已经被证明会影响空间意识，对前庭敏感性有潜在的影响［12］。在2009年美国1名飞行员就因为佩戴夜视镜驾驶一架F-16在完成高空扫射时撞击了地面［1］；先进的战斗机驾驶舱和头盔显示器增加了观察机会，飞行员的定位系统可能会被视觉、本体感受和小叶输入之间的感觉-感知-认知不匹配［1］。因为这种技术是用来提高飞行员的态势感知能力的。虽然这种情况感知能力的增强可能会大大降低SD，但这些设备导致不注意盲目性可能会对飞行员的空间方向感知能力产生不利影响［9］。三维听觉显示器是通过双耳式耳机发送声音生成虚拟声源，呈现来自任意方向的环绕，信息通常通过视觉通道呈现，但听觉通道可明显缩短反应时间，降低飞行员的工作负荷，有利于飞行员情景意识的提高［13］。

6 SD的分类

SD分为三类，即认识不到型（Ι型）、认知到型（Ⅱ型）和不可抵御型（Ⅲ型）。当飞行员出现不认识或不能识别是否发生了飞行SD，或认识但识别晚，失去控制飞行操纵的时机，据统计，80%飞行员都发生过空间定向障碍［14］。在实际的飞行中SD会呈现出不同的形态和表现形式，2002年美国空军调查了2 582名飞行员的SD经历，前7个最常见的错觉是倾斜错觉76%、视野丧失69%、倾斜地平线66%、科里奥利61%、黑洞进场起飞58%、高度误判50%、躯体重力错觉（俯仰错觉）44%［1］。而其中的躯体重力错觉或黑洞进场起飞错觉是一种前庭加速度错觉即飞行惯性错觉［15］，2001年美国海军一架F/a-大黄蜂性能喷气式战斗机在从航母上发射弹射器后不久在离水面86 m的高空飞行后，飞机以向下的方向加速坠入水中［1］就是由于SD所导致的。

7 降低SD事故率训练措施

7.1 理论教育及心理疏导 应对飞行学员和飞行员进行SD理论教育及心理疏导，理论教育包括SD的产生机制、分类。心理疏导即是让飞行学员和飞行员认识到空间定向障碍是不可避免的，即在未来的飞行中一定会经历的，因为空间定向障碍其本质是一种心理现象，新老飞行员或不同技术等级的飞行员都有可能出现。同时空间定向障碍还与人的认知、心理素质、注意力分配以及应急处理能力等有着密切关系，飞行是一个不断对抗知觉感知定向与仪表定向的心理冲突过程［2］。虽然SD避免不了，但是急性心理应激会在SD发生的起到至关重要的作用［16］，要培养飞行学员和飞行员树立迅速急性心理应激意识，即能迅速识别SD发生并正确操纵飞机，避免发生事故。避免飞行学员和飞行员对SD产生对畏惧心理。并定期进行心理测评。

7.2 仪表视觉空间定向训练 飞行员仪表视觉定向训练是通过将仪表数据信息转化为实际飞机姿态信息的过程［2］。包括仪表闪现和仪表判读［17］。从而训练飞行员快速识别仪表的判读能力。现在各国空军在航空训练中都加入仪表训练的课程。同时随着飞机技术的不断升级也仪表视觉定向训练提出了更高的要求，训练内容要更加丰富，逐步提高仪表视觉空间定向训练难度量级。只有这样才能下的综合仪表视觉空间定向训练。从而保障训练效果，有效地提高飞行员仪表视觉定向能力。

7.3 SD错觉模拟器训练 目前SD错觉模拟器训练已成为各国空军训练的重点科目，其训练原理是通过多自由度运动模平台模拟飞机模拟座舱，高逼真视景系统，达到训练体验SD的效果。飞行错觉的形成的生理特点是当绕任一轴向运动时，无论产生哪个方向空间知觉都是正确的。而在停止时，产生的空间知觉都是错误的；当绕2轴以上运动时产生的空间知觉都是错误的，错误空间知觉是第三轴的，因为进行系统的错觉模拟训练是对抗错觉事故的有效办法［3］，所以高保真仿真SD模拟器提供了逼真、交互式的SD培训［18］。我军自1984年开始飞行员航空生理训练有关地面错觉模拟工作［3］。美国早期的训练是让飞行员蒙住眼睛在一个三自由度飞行模拟器中进行定向，方向感是在无视觉辅助条件下进行定向［19］。相比之下，现代的模拟器运动平面已经从单独的旋转模式发展到上下左右的平动模式。发展到六自由度高仿真视野和复杂气象产生一种身临其境的体验［18］。大多数现代仿真器被设计成能够在六个独立的方向上运动（自由度）“第七”个自由度偶尔被用来表示离心机臂G的力［18］。据统计99.7%的飞行人员SD生在复杂气象飞行条件下［14］。模拟器的软件系统可以根据SD产生的不同复杂错觉环境设置包括云、雾、雨、雪等不同的气象环境，使飞行员体验各种SD信息，并将其通过大脑的信息处理系统翻译转化为实际的飞机状态，最后做出正确的操作反应［20］。近些年美军针对异常姿态恢复，姿态意识评价，故障识别等建立了从模拟器评价到空中实际飞行评价等一整套的飞行员主观评价量表、评价方法和体系［20］。

总之，SD的训练是航空医学生理心理及人机环境相互作用的过程。因为空间定向能力消退速度较快，形成的空间定向能力最多可保持4个月［19］。所以这就说明SD训练的重复周期不能超过4个月，只有不断按季度进行复训，未来还要不断对训练效果评估方法进行深入研究，提高飞行员应变SD的能力，从而避免或减少SD事故率的发生。