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（1.中國飛行試驗研究院飛機所，陜西?西安?710089；?2.航空工業(yè)飛行仿真航空科技重點實驗室，陜西?西安?710089）

側(cè)桿又叫側(cè)桿控制器，是對傳統(tǒng)中央駕駛桿的偏置和改進，通常包括駕駛桿、手柄和固定基座3個部分。當飛行員操縱手柄旋轉(zhuǎn)以控制飛機的某個軸向運動時，側(cè)桿手柄和駕駛桿應滿足兩個條件：（1）手柄造型須具備幫助飛行員識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軸向，同時較少耦合。

側(cè)桿由于具有體積小、布置位置不影響飛行員視野及對中央儀表板的觀察等優(yōu)點，在國外三、四代戰(zhàn)斗機及大型運輸機上得到了廣泛應用。20世紀70年代，F(xiàn)-16飛機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用，飛機設計人員對側(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”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）自由度個數(shù)。通常選取俯仰、滾轉(zhuǎn)、側(cè)滑2～3個自由度。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計構(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)做弧曲運動，前臂肌肉有伸縮，但前臂無動作。

（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)生一個與肘部靠點和側(cè)桿基底樞紐連線相交的等價軸線。

（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)做弧曲運動。前臂肌肉有伸縮，但前臂無動作。

1.2.2 腕部樞紐定俯仰和側(cè)滑、基底樞紐定滾轉(zhuǎn)

控制動作同上。采用可移動臂托，臂托杯通過滾珠在臂托架上移動，以適應前臂的平面運動。

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計，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同。側(cè)桿相對于中央桿的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（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)控制臺上，其長度和位移行程遠小于中央控制桿，加上可以將多個控制器綜合在一個側(cè)桿上，因此可以降低對座艙空間的要求。采用側(cè)桿裝置為進一步優(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。中央駕駛桿對前方儀表板形成遮擋，尤其當飛行員手握操縱時遮擋更加嚴重。側(cè)桿不會擋住飛行員的視線，不會擋住飛行員的視線，不影響飛行員對儀表的觀察。

（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械器件等都可以省去，飛機操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為精簡，重量得以減輕。

（4）改善飛機的操縱品質(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操縱。航跡控制的精確性和飛行績效明顯改善，任務完成的可靠性明顯提高。

（5）降低飛行工作負荷。采用側(cè)桿駕駛裝置后，飛行員更易于觀察前方顯示器。機動飛行過程中，飛行員在完成抗荷動作的同時，無需大力推拉或按壓駕駛桿，便于實現(xiàn)飛行控制。因此，飛行或機動飛行中的飛行員工作負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。高機動性飛機為了提高飛行員抗過載能力，往往采用后傾座椅設計。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，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。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固定，以阻斷或減少生物力學感應性振動沿飛行員手—臂—肩的傳遞和由此造成的對側(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，增加飛行的舒適性。

同時，側(cè)桿駕駛裝置也存在無法換手進行飛機操縱、反饋設計比較困難等缺點。但從國外研究文獻和飛行員的有關(guān)體會看，國外飛行員對于該駕駛裝置主要持肯定態(tài)度，在國內(nèi)側(cè)桿駕駛裝置也存在著使用需求。

3 側(cè)桿人機工效要求

側(cè)桿操縱的舒適程度直接影響人機的飛行品質(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，手臂力發(fā)揮最有效的位置處（兼顧縱、橫兩通道的操縱）。

國外關(guān)于此方面主要研究了駕駛桿的位置對推桿和拉桿的能力影響，Lockenour在AFFDL-TR-78-171的研究中指出，“……一個人的最大力量是左右不對稱的，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三倍……當然，駕駛員在拉桿位置以給定的力緊握駕駛桿會感到吃力”。

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)桿只是一個信號發(fā)生器，并沒有感受到翼面?zhèn)鱽淼牧?，所以桿力不必達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，這就為設計側(cè)桿位置、偏度時，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)試驗研究表明，桿位置相對座椅參考點在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。所以，在確定側(cè)桿安裝位置時，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

手柄的設計盡量人性化，綜合多人對手柄把握的舒適程度，不斷修正形成。對于飛行駕駛過程中常用的飛行控制、火力控制及雷達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，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，可聘請多名飛行員對手柄進行試操縱，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)桿中立位的確定應以無加速平飛中飛行員控制最大允許過載值時，腕部在垂直軸前側(cè)的后向運動不大于5°～7°，或控制最大右向滾轉(zhuǎn)速率時腕部在垂直軸右側(cè)的外向運動不大于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，需要為飛行員設置可調(diào)節(jié)的臂托。

3.4 側(cè)桿啟動力的確定

側(cè)桿啟動力應介于2.2～9.8 N之間。當飛行員操桿時的用力小于側(cè)桿啟動力時，側(cè)桿沒有動作反應；而當飛行員操桿時的用力大于側(cè)桿啟動力時，側(cè)桿給飛行員一個強有力的觸覺提示，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，因為前臂在兩個方向上的強壯程度是不一樣的。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，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，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，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)中央桿設計時，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、飛機的響應提供給飛行員的信息應當是一致的，以此來提高飛機的飛行品質(zhì)，側(cè)桿的特性也是如此。

飛行員適應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)桿設計要考慮的重要問題。對此，國外進行了大量的飛行試驗研究，以下引用來自一些比較權(quán)威機構(gòu)的文獻，給出幾組比較重要的數(shù)據(jù)和圖表。

首先引用相關(guān)文獻中對側(cè)桿的評價，來自于愛德華空軍基地的美國空軍試飛員學校，用T-33變穩(wěn)飛機進行一系列試飛后，飛行員給出的評價。表1給出了側(cè)桿操縱時各種桿力、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，在試驗飛行后，得到了駕駛員的最好評價。這些構(gòu)型位于試驗矩陣的邊緣，是否有一些有利的擴展還不確定，需要進行進一步的試驗。

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

構(gòu)型l、2被認為是最差的，它們的特點是縱、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駕駛員的評分沒有影響。然而，隨著操縱桿力梯度從輕加重，駕駛員評論指出桿操縱有從過于靈敏到太遲鈍的趨勢。

表1 ??T-33側(cè)桿評價的A種飛行階段操縱構(gòu)型

表2 ??各操縱構(gòu)型空空任務的飛行員評價

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

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

圖1 ??YF-22飛機俯仰角速度桿力梯度圖

從以上的試驗及真實飛機的側(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)桿人機工效影響因素分析是進行側(cè)桿飛行的駕駛與評價方法研究的基礎，有重要的研究價值。本文主要從側(cè)桿的人機工效方面著手，通過分析國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)桿啟動力、側(cè)桿桿力及桿力梯度、側(cè)桿的質(zhì)量特性等6個方面對側(cè)桿人機工效影響因素進行了探討，對側(cè)桿和中央桿的人機工效進行了比較分析，引用了美國愛德華空軍基地的美國空軍試飛員學校使用T-33變穩(wěn)飛機作出的一系列試飛后飛行員給出的評價，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。