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（1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院飛機(jī)所，陜西?西安?710089；?2.航空工業(yè)飛行仿真航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西?西安?710089）

側(cè)桿又叫側(cè)桿控制器，是對(duì)傳統(tǒng)中央駕駛桿的偏置和改進(jìn)，通常包括駕駛桿、手柄和固定基座3個(gè)部分。當(dāng)飛行員操縱手柄旋轉(zhuǎn)以控制飛機(jī)的某個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，側(cè)桿手柄和駕駛桿應(yīng)滿足兩個(gè)條件：（1）手柄造型須具備幫助飛行員識(shí)別出受控軸向的固定手位；（2）必須允許飛行員將純凈控制指令輸入每個(gè)軸向，同時(shí)較少耦合。

側(cè)桿由于具有體積小、布置位置不影響飛行員視野及對(duì)中央儀表板的觀察等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外三、四代戰(zhàn)斗機(jī)及大型運(yùn)輸機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，F(xiàn)-16飛機(jī)首先采用電傳操縱系統(tǒng)和側(cè)桿以后，側(cè)桿操縱引起了人們的注意。隨著電傳操縱技術(shù)的日益成熟和不斷應(yīng)用，飛機(jī)設(shè)計(jì)人員對(duì)側(cè)桿操縱裝置的興趣也更加濃厚，目前常見的如F-16系列，F(xiàn)-22，A-320，Su-37，“陣風(fēng)”等都采用了側(cè)桿駕駛裝置。

1 側(cè)桿基本參數(shù)

1.1 側(cè)桿的基本參數(shù)

（1）自由度個(gè)數(shù)。通常選取俯仰、滾轉(zhuǎn)、側(cè)滑2～3個(gè)自由度。集俯仰、橫滾、側(cè)滑控制功能于一體的3軸向側(cè)桿駕駛裝置常常是飛行員首選的控制設(shè)計(jì)構(gòu)型。

（2）控制軸向參照系和樞紐軸位置。俯仰軸向的參照系可為水平、正交于橫滾軸的垂直軸線，或腕部/手掌樞紐軸；橫滾軸向的參照系為手部以下、平行于前臂的縱向軸線；側(cè)滑軸向的參照系可為手握垂直軸或掌握垂直軸。樞紐軸位置通常選用基底樞紐、掌樞紐和腕樞紐。

1.2 控制構(gòu)型

1.2.1 腕部樞紐定俯仰和側(cè)滑，固定臂托面樞紐定滾轉(zhuǎn)

（1）俯仰。手和手柄以腕部水平中心線為轉(zhuǎn)軸在垂直平面內(nèi)做弧曲運(yùn)動(dòng)，前臂肌肉有伸縮，但前臂無(wú)動(dòng)作。

（2）滾轉(zhuǎn)。手—手柄—腕—前臂在臂托上滾轉(zhuǎn)，在臂托支撐面下產(chǎn)生一個(gè)與肘部靠點(diǎn)和側(cè)桿基底樞紐連線相交的等價(jià)軸線。

（3）側(cè)滑。手—手柄以腕部垂直中心線為轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)做弧曲運(yùn)動(dòng)。前臂肌肉有伸縮，但前臂無(wú)動(dòng)作。

1.2.2 腕部樞紐定俯仰和側(cè)滑、基底樞紐定滾轉(zhuǎn)

控制動(dòng)作同上。采用可移動(dòng)臂托，臂托杯通過滾珠在臂托架上移動(dòng)，以適應(yīng)前臂的平面運(yùn)動(dòng)。

1.2.3 感覺特性

通常采用具備回中力—位移特性的觸覺反饋構(gòu)型。

2 側(cè)桿與中央桿的人機(jī)工效比較

隨著現(xiàn)代顯控技術(shù)的發(fā)展，高度人性化的座艙設(shè)計(jì)，使得座艙資源變得更加寶貴，側(cè)桿也逐漸得到了大家的認(rèn)同。側(cè)桿相對(duì)于中央桿的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）側(cè)桿比中央桿更節(jié)省空間。側(cè)桿通常安裝在座艙右側(cè)控制臺(tái)上，其長(zhǎng)度和位移行程遠(yuǎn)小于中央控制桿，加上可以將多個(gè)控制器綜合在一個(gè)側(cè)桿上，因此可以降低對(duì)座艙空間的要求。采用側(cè)桿裝置為進(jìn)一步優(yōu)化座艙顯示控制布局提供了可能性。

（2）改善了前方儀表板的可視性。中央駕駛桿對(duì)前方儀表板形成遮擋，尤其當(dāng)飛行員手握操縱時(shí)遮擋更加嚴(yán)重。側(cè)桿不會(huì)擋住飛行員的視線，不會(huì)擋住飛行員的視線，不影響飛行員對(duì)儀表的觀察。

（3）減輕控制系統(tǒng)重量。采用電傳側(cè)桿駕駛系統(tǒng)后，原先和中央駕駛桿配合使用的機(jī)械器件等都可以省去，飛機(jī)操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為精簡(jiǎn)，重量得以減輕。

（4）改善飛機(jī)的操縱品質(zhì)。采用側(cè)桿駕駛裝置后，飛行員可以更省力和精確地完成飛機(jī)操縱。航跡控制的精確性和飛行績(jī)效明顯改善，任務(wù)完成的可靠性明顯提高。

（5）降低飛行工作負(fù)荷。采用側(cè)桿駕駛裝置后，飛行員更易于觀察前方顯示器。機(jī)動(dòng)飛行過程中，飛行員在完成抗荷動(dòng)作的同時(shí)，無(wú)需大力推拉或按壓駕駛桿，便于實(shí)現(xiàn)飛行控制。因此，飛行或機(jī)動(dòng)飛行中的飛行員工作負(fù)荷和飛行疲勞明顯降低。

（6）結(jié)合后傾座椅，提高飛行員抗過載能力。高機(jī)動(dòng)性飛機(jī)為了提高飛行員抗過載能力，往往采用后傾座椅設(shè)計(jì)。在后傾坐姿條件下，飛行員操縱傳統(tǒng)中央桿將面臨很大的困難。此時(shí)，采用側(cè)桿駕駛裝置可以明顯降低飛行員的操作難度，從而提高抗過載能力。

（7）結(jié)合臂托，減少飛行員的慣性振動(dòng)。側(cè)桿駕駛裝置常常和臂托結(jié)合起來使用。臂托的作用首先是將前臂相對(duì)固定，以阻斷或減少生物力學(xué)感應(yīng)性振動(dòng)沿飛行員手—臂—肩的傳遞和由此造成的對(duì)側(cè)桿操縱的不利影響，其次是為前臂提供支撐以保證側(cè)桿操縱的穩(wěn)定性。

（8）增加飛行的舒適性。采用側(cè)桿駕駛裝置后，飛行員更喜歡使用側(cè)桿進(jìn)行側(cè)滑/航向控制。這意味著飛行員不但可以雙腳著地，而且下肢可以自由伸縮活動(dòng)，增加飛行的舒適性。

同時(shí)，側(cè)桿駕駛裝置也存在無(wú)法換手進(jìn)行飛機(jī)操縱、反饋設(shè)計(jì)比較困難等缺點(diǎn)。但從國(guó)外研究文獻(xiàn)和飛行員的有關(guān)體會(huì)看，國(guó)外飛行員對(duì)于該駕駛裝置主要持肯定態(tài)度，在國(guó)內(nèi)側(cè)桿駕駛裝置也存在著使用需求。

3 側(cè)桿人機(jī)工效要求

側(cè)桿操縱的舒適程度直接影響人機(jī)的飛行品質(zhì)，而舒適程度的根本主要體現(xiàn)在駕駛桿安放位置、桿力梯度、手柄在手中的感覺、手柄上按鈕在手柄上的布置原則等幾個(gè)方面。

3.1 操縱力與側(cè)桿位置的考慮

駕駛桿要安裝在駕駛員手臂操縱駕駛桿時(shí)，手臂力發(fā)揮最有效的位置處（兼顧縱、橫兩通道的操縱）。

國(guó)外關(guān)于此方面主要研究了駕駛桿的位置對(duì)推桿和拉桿的能力影響，Lockenour在AFFDL-TR-78-171的研究中指出，“……一個(gè)人的最大力量是左右不對(duì)稱的，并且推桿和拉桿的能力相差大約一倍……在第5和第95百分位男性力量相差達(dá)三倍……當(dāng)然，駕駛員在拉桿位置以給定的力緊握駕駛桿會(huì)感到吃力”。

相關(guān)研究表明，在綜合大多數(shù)飛行員能力的情況下，側(cè)桿布置在不同位置，飛行員能施加的最大力也不同。采用側(cè)桿，由于側(cè)桿只是一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，并沒有感受到翼面?zhèn)鱽淼牧?，所以桿力不必達(dá)到駕駛員能施加的最大力，但手臂在不同的上臂角情況下，能施加的最大力也不同，這就為設(shè)計(jì)側(cè)桿位置、偏度時(shí)，提供參考。

一般情況下，需要綜合考慮座艙布局才能確定側(cè)桿的具體安裝位置。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，桿位置相對(duì)座椅參考點(diǎn)在15.5～18.25英寸之間，人的推、拉桿能力和左右壓桿能力比在其它區(qū)域強(qiáng)。所以，在確定側(cè)桿安裝位置時(shí)，最好將側(cè)桿放在此區(qū)域。

3.2 手柄形式和按鈕布置位置的考慮

手柄的設(shè)計(jì)盡量人性化，綜合多人對(duì)手柄把握的舒適程度，不斷修正形成。對(duì)于飛行駕駛過程中常用的飛行控制、火力控制及雷達(dá)搜索等方面的按鈕盡量布置在手柄上，并保證控制按鈕布置在手不脫離手柄把握情況下，手指可覆蓋操縱的位置。

在布置按鈕時(shí)，依照按鈕的常用程度分類，將最常用的按鈕布置在手指最容易并可以靈活操縱的地方。手柄完成后，可聘請(qǐng)多名飛行員對(duì)手柄進(jìn)行試操縱，充分聽取參試飛行員的意見，采納體現(xiàn)大多數(shù)飛行員感覺的意見，直至最終定型完成。

3.3 側(cè)桿中立位的確定

側(cè)桿中立位的確定應(yīng)以無(wú)加速平飛中飛行員控制最大允許過載值時(shí)，腕部在垂直軸前側(cè)的后向運(yùn)動(dòng)不大于5°～7°，或控制最大右向滾轉(zhuǎn)速率時(shí)腕部在垂直軸右側(cè)的外向運(yùn)動(dòng)不大于5°為宜。在符合上述要求情況下，側(cè)桿中立位的具體位置可以在垂直軸前側(cè)10°～17°、垂直軸左側(cè)8°～12°的范圍內(nèi)選定。為方便側(cè)桿駕駛裝置的使用，需要為飛行員設(shè)置可調(diào)節(jié)的臂托。

3.4 側(cè)桿啟動(dòng)力的確定

側(cè)桿啟動(dòng)力應(yīng)介于2.2～9.8 N之間。當(dāng)飛行員操桿時(shí)的用力小于側(cè)桿啟動(dòng)力時(shí)，側(cè)桿沒有動(dòng)作反應(yīng)；而當(dāng)飛行員操桿時(shí)的用力大于側(cè)桿啟動(dòng)力時(shí)，側(cè)桿給飛行員一個(gè)強(qiáng)有力的觸覺提示，表明側(cè)桿將離開中立位。

3.5 側(cè)桿桿力及桿力梯度的選取

一般情況下，俯仰桿力取9 kg左右為宜，如A-320飛機(jī)的側(cè)桿在俯仰通道的偏度±16°，最大桿力±9.99 kg；而滾轉(zhuǎn)方向的操縱桿力是不平衡的，因?yàn)榍氨墼趦蓚€(gè)方向上的強(qiáng)壯程度是不一樣的。一般情況下，向左的最大力和向右的最大力比值為3∶2，向左最大力取4 kg左右，而向右最大力取2.7 kg左右，如A-320飛機(jī)的側(cè)桿在俯仰通道的偏度±16°，最大桿力±9.99kg。

3.6 側(cè)桿的質(zhì)量特性

不管實(shí)際力梯度如何，側(cè)桿駕駛裝置的質(zhì)量最好不大于3 kg。力梯度小于1.75 N/mm時(shí)，可采用低中性頻率的側(cè)桿駕駛裝置；力梯度介于1.75～5.25 N/mm時(shí)，可采用20 rad/s或更高中性頻率的側(cè)桿駕駛裝置；力梯度大于5.25 N/mm時(shí)，可采用16 rad/s中性頻率的側(cè)桿駕駛裝置。俯仰軸向和滾轉(zhuǎn)軸向可采用相同的質(zhì)量特性。

4 飛行品質(zhì)規(guī)范中有關(guān)側(cè)桿的靜態(tài)特性要求

在傳統(tǒng)中央桿設(shè)計(jì)時(shí)，桿力-桿位移特性是桿力隨桿位移的增大而增大，桿力、桿位移、飛機(jī)的響應(yīng)提供給飛行員的信息應(yīng)當(dāng)是一致的，以此來提高飛機(jī)的飛行品質(zhì)，側(cè)桿的特性也是如此。

飛行員適應(yīng)怎樣的桿力和桿力梯度，以及什么樣的桿力和桿力梯度有利于提高飛行品質(zhì)，是側(cè)桿設(shè)計(jì)要考慮的重要問題。對(duì)此，國(guó)外進(jìn)行了大量的飛行試驗(yàn)研究，以下引用來自一些比較權(quán)威機(jī)構(gòu)的文獻(xiàn)，給出幾組比較重要的數(shù)據(jù)和圖表。

首先引用相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)側(cè)桿的評(píng)價(jià)，來自于愛德華空軍基地的美國(guó)空軍試飛員學(xué)校，用T-33變穩(wěn)飛機(jī)進(jìn)行一系列試飛后，飛行員給出的評(píng)價(jià)。表1給出了側(cè)桿操縱時(shí)各種桿力、桿力梯度的構(gòu)型。一般說來，符合駕駛員的操縱要求應(yīng)該是隨著操縱力梯度的減小而增加操縱桿位移，隨著操縱桿力梯度的增大而減少操縱桿位移，工作特性與中央桿的要求一致。

表2中的構(gòu)型13、14、15，在試驗(yàn)飛行后，得到了駕駛員的最好評(píng)價(jià)。這些構(gòu)型位于試驗(yàn)矩陣的邊緣，是否有一些有利的擴(kuò)展還不確定，需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。

構(gòu)型4、7被認(rèn)為是好的，但稍次于構(gòu)型13、14、15。飛行員的評(píng)論表明，構(gòu)型4的桿力使人疲勞同時(shí)也不舒適。盡管邊界沒有完全確定，但這些評(píng)論表明，較重的桿力梯度是不可接受的。

構(gòu)型l、2被認(rèn)為是最差的，它們的特點(diǎn)是縱、橫操縱過于靈敏。

所有余下的操縱構(gòu)型表明，用中等操縱桿操縱，選擇的操縱力梯度基本上對(duì)駕駛員的評(píng)分沒有影響。然而，隨著操縱桿力梯度從輕加重，駕駛員評(píng)論指出桿操縱有從過于靈敏到太遲鈍的趨勢(shì)。

表1 ??T-33側(cè)桿評(píng)價(jià)的A種飛行階段操縱構(gòu)型

表2 ??各操縱構(gòu)型空空任務(wù)的飛行員評(píng)價(jià)

對(duì)于構(gòu)型7、11啟動(dòng)力從0.23 kg增加到0.45 kg來研究啟動(dòng)力對(duì)駕駛員評(píng)分的影響。對(duì)構(gòu)型7，平均的駕駛員評(píng)分從3.8增加到5，而構(gòu)型11的評(píng)分基本上保持不變。駕駛員的評(píng)價(jià)表明，增加啟動(dòng)力的效果是以不利的方法增加俯仰靈敏度。

另外，A-320飛機(jī)側(cè)桿的縱向梯度為1.78°/kg；YF-22飛機(jī)的桿力梯度見圖1。由圖1可見，YF-22飛機(jī)快擋時(shí)縱向桿力梯度為1.78°/kg，慢擋時(shí)縱向桿力梯度為1.11°/kg。

圖1 ??YF-22飛機(jī)俯仰角速度桿力梯度圖

從以上的試驗(yàn)及真實(shí)飛機(jī)的側(cè)桿桿力梯度數(shù)據(jù)不難看出：縱向桿力梯度最好取為1.78～2.00°/kg，橫向桿力梯度3.11°/kg。

5 小????結(jié)

側(cè)桿人機(jī)工效影響因素分析是進(jìn)行側(cè)桿飛行的駕駛與評(píng)價(jià)方法研究的基礎(chǔ)，有重要的研究?jī)r(jià)值。本文主要從側(cè)桿的人機(jī)工效方面著手，通過分析國(guó)外的研究成果以及成功使用的事例，從操縱力與側(cè)桿位置、手柄形式和按鈕布置位置、側(cè)桿中立位、側(cè)桿啟動(dòng)力、側(cè)桿桿力及桿力梯度、側(cè)桿的質(zhì)量特性等6個(gè)方面對(duì)側(cè)桿人機(jī)工效影響因素進(jìn)行了探討，對(duì)側(cè)桿和中央桿的人機(jī)工效進(jìn)行了比較分析，引用了美國(guó)愛德華空軍基地的美國(guó)空軍試飛員學(xué)校使用T-33變穩(wěn)飛機(jī)作出的一系列試飛后飛行員給出的評(píng)價(jià)，闡述了在飛行品質(zhì)規(guī)范中有關(guān)側(cè)桿的靜態(tài)特性要求。