魏 東， 李 偉， 劉書巖

(海軍航空大學,山東 煙臺 264000)

彈射救生裝置是殲擊機的重要組成部分，當發(fā)生危及飛行員生命安全的特情時，該裝置利用彈射動力將飛行員和彈射座椅一起彈射離機以保證飛行員生命安全[1]。長期以來，由于彈射座椅工作的特殊性，在教學訓練過程中缺乏相應的實踐教學設備，教學內容只能以理論講授的方式進行，不能對學員進行針對性的模擬訓練，因此學員在使用彈射設備的過程中，存在一定的問題，因肢體撲打和彈射動作不正確造成的損傷較多。

為改變這種狀況，張曉梅等[2]針對飛行人員在彈射跳傘中的損傷進行了研究，對飛機類型、跳傘原因、飛行員年齡、飛行速度、飛行高度對跳傘損傷的影響和損傷類型進行了分析，對提高彈射救生成功率、減少損傷具有一定的幫助，但是并沒有從訓練角度提出解決方法；張玉剛等[3]分別針對彈射救生過程中人-椅運動、人-椅分離、傘降著陸階段的特點進行了研究，并建立了一系列的數學模型，為模擬彈射救生過程提供了理論基礎；王揚[4]利用仿真支撐軟件PROSIMS對彈射離機、救生傘張開、傘降著陸階段進行了仿真，為設計并實現(xiàn)彈射救生模擬訓練裝置提供了具有參考意義的思路；李慧等[5]以第三代彈射座椅為研究對象，對航空彈射救生過程的視景仿真技術進行了研究，實現(xiàn)了基于3Ds max、Unity3D引擎和C#為平臺的人-椅-傘仿真系統(tǒng)，并以此開發(fā)了基于數據驅動的彈射救生可視化桌面軟件，將彈射救生過程可視化。該軟件首次實現(xiàn)了彈射座椅工作過程的可視化演示，對航理教學具有一定的幫助，但是該軟件只能單純地演示彈射救生過程，不能和飛行員進行有效交互，本質上仍屬于彈射救生裝置理論教學手段的補充。

本文在上述研究成果的基礎上，結合彈射救生裝置使用訓練需求，利用AR技術，構建了彈射救生模擬訓練系統(tǒng)，以滿足彈射救生模擬訓練需求，鍛煉飛行員的彈射救生技能，同時提升彈射救生裝置教學的實際效果。

1 彈射救生裝置的工作過程

不同型號的彈射救生裝置在彈射性能上存在一定的差異性，但工作過程基本相同。彈射救生裝置工作過程如圖1所示。

圖1 彈射救生裝置的工作過程

① 彈射準備和啟動階段。

飛行員保持好飛機姿態(tài)，做好彈射準備，拉動彈射手柄后，擊發(fā)燃爆機構，產生的高溫燃氣傳到約束系統(tǒng)，約束飛行員上肢，并通過肩帶拉緊機構將飛行員強制拉到彈射姿態(tài)[6-7]；穩(wěn)定傘射傘槍射出穩(wěn)定傘，并激發(fā)彈射筒打火工作，產生燃氣推動座椅開始向上運動，并清理彈射通道。

② 彈射上升階段。

在彈射筒推力的作用下，座椅沿導軌向上運動，限腿帶將飛行員雙腿收回并固定在椅盆前沿[6]，同時啟動自動開鎖器，使其進入工作狀態(tài)，開始計時。

③ 彈射離機階段。

遠距點火機構工作，在火箭包的推力作用下，推動座椅繼續(xù)向上運動，離開座艙。

在座椅離機后，穩(wěn)定減速傘張滿，飛行員和彈射座椅在穩(wěn)定減速傘的作用下，穩(wěn)定下降，一直到人-椅分離階段[6-7]。

對于雙座飛機，該階段由發(fā)散火箭使前后艙飛行員的彈射軌跡分別向左右發(fā)散，防止彈射軌跡出現(xiàn)交叉，本系統(tǒng)只針對單座飛機進行彈射模擬訓練。

④ 人-椅分離階段。

當滿足人-椅分離條件后，自動開傘器激發(fā)人-椅分離系統(tǒng)的點火機構，產生高溫燃氣，釋放約束系統(tǒng)和穩(wěn)定傘，救生傘射傘槍射出救生傘，救生傘張滿，人、椅迅速分離，飛行員乘救生傘穩(wěn)定下降[6-7]。

⑤ 傘降和著陸階段。

人、椅分離后，飛行員乘救生傘穩(wěn)定下降并著陸[6-7]。

2 彈射救生模擬訓練系統(tǒng)的功能需求

彈射救生模擬訓練系統(tǒng)利用AR技術對彈射救生座椅的工作過程進行模擬，以完成過載適用性訓練、彈射時機決斷能力訓練、彈射救生模擬訓練，同時還應具有自動評估和視頻監(jiān)控、回放功能。

2.1 過載適應性訓練

在彈射救生過程中會產生14～15g的過載，在個別情況下，過載會達到20g，該加速度主要由脊柱和頸椎承受，是飛行員彈射時受傷的主要原因之一。

過載適應性訓練通過逐漸增加彈射載荷的方式，使飛行員體會彈射載荷對身體的影響；并通過模擬訓練掌握正確的彈射操縱動作、保持正確彈射姿勢以增強高過載適應性，避免因彈射姿勢不正確而造成身體損傷；同時減少在彈射過程中飛行員上肢甩打的現(xiàn)象，防止造成意外的肢體傷害。

2.2 彈射時機決斷能力訓練

在飛行過程中，當出現(xiàn)必須彈射救生的特情時，留給飛行員的反應時間非常短，稍有猶豫就會錯過最佳彈射時機。當飛機處于復雜飛行狀態(tài)或者不滿足彈射救生條件時，彈射成功概率會大幅降低。

彈射救生模擬訓練系統(tǒng)通過設置影響飛行安全的特情進行彈射時機決斷能力訓練，訓練飛行員準確判斷是否需要進行彈射，并及時定下彈射決心，生成把握最佳彈射時機的能力[1]，將影響彈射救生效果的要素，如飛行速度、飛行高度、坡度、迎角、滾轉角速度等控制在彈射救生裝置的救生包線范圍之內[8-9]，提高彈射救生成功概率。

2.3 彈射救生模擬訓練

由于彈射救生裝置的工作特性，長期以來，相關教學內容只能進行理論講授，缺乏模擬訓練教學環(huán)節(jié)，教學效果不理想。

通過彈射救生模擬訓練，能夠幫助學員將理論知識和實踐應用相結合，建立彈射救生工作過程的初步印象，從使用角度理解彈射救生裝置的工作原理、使用方法和注意事項[7]；積累彈射救生設備的實際操作經驗，并在心理上樹立彈射救生的信心，減少對彈射救生不熟悉的恐懼心理。

2.4 自動評估和視頻監(jiān)控、回放功能

自動評估功能依據學員的操縱動作和采集的相關信號，對彈射結果和在實際彈射救生中可能造成的損傷進行自動評估，作為彈射救生設備使用能力和訓練考核成績的參考依據。

視頻監(jiān)控用于及時糾正飛行學員在訓練過程中的不當操作，防止學員在訓練時受傷；回放功能將過載適用性訓練、彈射時機決斷能力訓練和彈射救生模擬訓練情形在第三方顯示屏實時顯示并進行記錄，供其他學員進行觀摩。

3 彈射救生模擬訓練系統(tǒng)的設計

3.1 總體設計

彈射救生模擬訓練系統(tǒng)由軟件和硬件平臺組成，利用AR技術實現(xiàn)對彈射救生的模擬訓練。彈射救生模擬訓練系統(tǒng)的總體設計如圖2所示。

在進行模擬訓練時，學員依據VR眼鏡、仿真座艙、仿真座椅和彈射支架等硬件輸出的信息，作出相應的操縱動作，操縱動作由位置跟蹤器和VR手套反饋給控制軟件，驅動彈射座椅運動控制軟件和視景仿真軟件進行信息更新，并傳輸給學員，從而達到彈射救生模擬訓練的目的。

視景仿真軟件輸出的信息同步輸送到觀摩平臺供其他學員進行觀摩。

教員端控制軟件將設置的訓練課目和特情信息傳輸給主控軟件，同時接收座椅運動和視景信息，進行安全監(jiān)控。

圖2 彈射救生模擬訓練系統(tǒng)的總體設計

3.2 硬件設計

硬件平臺由彈射運動平臺、沉浸式硬件設備和觀摩平臺組成。

(1) 彈射運動平臺。

彈射運動平臺包括仿真座艙、仿真座椅和彈射支架。

仿真座艙是彈射系統(tǒng)的基礎構件，用于安裝仿真座椅和彈射支架。

座艙內還安裝有駕駛桿、腳蹬、油門和攝像頭，座艙后部安裝有冷氣存儲裝置，作為模擬彈射動力源。

腳蹬、駕駛桿采用彈簧式操縱負荷系統(tǒng)，學員進行操縱時，能夠產生和實際操縱力大小相當的駕駛桿力和腳蹬力。油門桿采用齒輪傳動，模擬程度較高，如圖3所示。

圖3 駕駛桿、油門桿和腳蹬

駕駛桿、腳蹬和油門桿的操縱量采用高精度電位器進行信號采集，信號經高頻計算機處理后，解算成飛行參數，由視景仿真軟件更新仿真環(huán)境，并通過VR眼鏡呈現(xiàn)給受訓學員。

仿真座椅如圖4所示，主體采用高強度結構鋼制作，椅面、頭枕部分采用7075鋁合金材質制作，靠背采用玻璃鋼材質制作，保證座椅強度的同時減輕座椅重量。

圖4 仿真座椅

仿真座椅是彈射運動平臺的關鍵部件，包括彈射拉環(huán)、背帶系統(tǒng)、肩帶拉緊系統(tǒng)、綁腿帶、椅盆高度調節(jié)系統(tǒng)、頭臀傳感器和光電傳感器。

彈射拉環(huán)為彈射座椅上的實裝設備，使飛行員能夠很好地掌握拉環(huán)使用方法，體會拉環(huán)啟動時的手感和力度等，如圖5所示。

圖5 彈射座椅關鍵部件

肩帶系統(tǒng)和綁腿帶為座椅上的實裝設備，目的是保證進行模擬訓練時飛行員穿戴動作和實際穿戴動作一致。

肩帶拉緊系統(tǒng)利用力矩電機實現(xiàn)彈射啟動瞬間的拉緊動作，以模擬真實效果，如圖5所示。肩帶拉緊系統(tǒng)將肩帶的一端和力矩電機軸連接，在彈射拉環(huán)啟動瞬間，力矩電機動作，將肩帶拉緊(此動作約耗時0.5 s)，隨后彈射氣缸，實現(xiàn)彈射。肩帶拉緊系統(tǒng)的另一端設計有發(fā)條彈簧，實現(xiàn)肩帶自動向后收縮。

椅盆高度調節(jié)系統(tǒng)通過按鈕控制電動直線推桿實現(xiàn)，推桿的型號為HD24-B100-0100-ELX-3-M-M-S，如圖5所示。電機可承載動載荷10000 N，靜載荷18000 N，并且電機內部設置有電磁剎車系統(tǒng)，調節(jié)到位之后，自動剎車。

頭臀傳感器設置為三組，椅背兩組、頭枕一組，用于糾正飛行員啟動彈射時的坐姿。彈射啟動前，三組傳感器必須都有信號才可以啟動彈射。

光電傳感器共有兩組，安裝在腳蹬和駕駛桿之間，用于糾正飛行員啟動彈射時的腿部動作。彈射啟動前，飛行員下肢應離開此區(qū)域，否則彈射不啟動。

彈射支架分為基座、吊裝支架和斜撐桿?；殖汕昂髢刹糠郑坎糠钟?根工字鋼主梁組裝而成；吊裝支架由高強度鋼組成“Π”形吊架；為提高彈射架的側向穩(wěn)定性,后基座設置了向外張開的斜撐桿。

(2) 沉浸式硬件設備和觀摩平臺。

沉浸式硬件設備包括VR頭盔和VR手套。VR頭盔選用HTC VIVE 2.0，雙眼分辨率為2800像素×1600像素，刷新率90 Hz，視角110°，內置陀螺儀、定位傳感器，追蹤精度0.1°；數據手套選用HTC Notiom Hi5,姿態(tài)更新180 Hz,內置7顆9軸慣性傳感器和激光定位傳感器。

觀摩系統(tǒng)由4個電視組成，視頻信號來自視景仿真軟件和仿真座艙內的攝像頭，由教員控制端控制輸出畫面，可輸出受訓學員第一視角畫面，也可輸出第三視角畫面。

3.3 軟件設計

彈射救生模擬訓練軟件系統(tǒng)包括主控程序、視景仿真軟件、教員控制端和彈射座椅運動控制程序，利用VC++和OpenGL開發(fā)相應的控制程序和視景系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

過載適應性訓練工作流程:

① 系統(tǒng)啟動，教員控制端設置訓練課目為過載性適應性訓練；

② 檢測彈射啟動信號、頭臀和光電傳感器信號；

③ 依據頭臀和光電傳感器信號判斷彈射姿勢是否規(guī)范，如果姿勢規(guī)范則轉④，否則不啟動彈射，轉②；

④ 啟動彈射，在冷氣驅動下完成彈射上升運動；

⑤ 依據訓練數據完成訓練結果評估；

⑥ 訓練結束。

彈射救生模擬訓練工作流程:

① 系統(tǒng)啟動后，教員控制端設置訓練課目為彈射救生模擬訓練；

② 視景輸出,根據學員駕駛桿、腳蹬、油門桿操縱信號進行視景更新；

③ 檢測特情信號，如果有特情信號，則轉④，否則轉②;

④ 依據特情現(xiàn)象和學員處置動作進行視景更新；

⑤ 檢測彈射啟動信號、頭臀和光電傳感器信號；

⑥ 依據信號判斷彈射姿勢規(guī)范，如果姿勢規(guī)范則轉⑦，否則不啟動彈射，轉⑧；

⑦ 啟動彈射，完成彈射啟動、彈射上升、彈射離機、人-椅分離、傘降著陸5個彈射階段過程；

圖6 模擬彈射救生軟件工作流程

⑧ 姿勢不規(guī)范，彈射不啟動,依據飛行狀態(tài)判斷飛機是否墜毀，如果是轉⑨，否則轉⑤；

⑨ 依據數據，對訓練結果進行評估；

⑩ 訓練結束。

4 關鍵技術

彈射救生模擬系統(tǒng)的真實沉浸感主要取決于兩個關鍵因素，一是虛擬場景中通過視景切換形成的彈射軌跡，二是在彈射啟動過程和救生傘打開瞬間形成的動載荷。

4.1 彈射過程中視景驅動數學模型

由于彈射救生模擬裝置高度和場地大小有限，限制了彈射運動軌跡的真實實現(xiàn)。利用彈射座椅運動軌跡方程驅動視景切換，能夠利用很小的運動幅度和空間實現(xiàn)飛行員對彈射軌跡的感知，而且在實際彈射救生過程中，飛行員也是通過視景變化來獲得對彈射軌跡的感知。

4.1.1 坐標系確定和基本假設

在彈射救生過程中，在人-椅分離前，可將飛行員和座椅視為一個系統(tǒng)，因此，以彈射啟動時的人-椅重心為原點建立坐標系[13]，如圖7所示。Y軸垂直于地面，向上為正方向，X軸垂直于Y軸，向前為正方向，Z軸垂直于平面XOY，向右為正方向[9]，圖中ωx、ωy、ωz表示人-椅系統(tǒng)繞X、Y、Z軸的角速度。

圖7 彈射座椅運動軌跡坐標系

彈射救生的運動過程非常復雜，而且受到的干擾因素很多，為簡化視景驅動模型，做出如下假設。

① 因彈射離機時間非常短，彈射救生啟動后，飛機的飛行速度和飛行狀態(tài)不發(fā)生變化；

② 重力加速度為常量；

③ 忽略風速對彈射軌跡的影響；

④ 人-椅質量分布左右對稱。

⑤ 飛行員視點的位置和人-椅重心重合(兩者相差約為40～50 cm，和實際彈射高度相比可忽略不計)。

4.1.2 彈射各階段的視景驅動數學模型

在彈射準備和啟動階段，人-椅系統(tǒng)隨飛機一起運動；同時人-椅分離階段時間較短，傘降著陸階段在假設條件下近似于勻速下降，因此僅需要對彈射上升階段和彈射離機階段進行研究并建立相應的數學模型。

(1) 彈射上升階段的數學模型。

在彈射上升階段，人-椅系統(tǒng)被導軌約束，在彈射筒的推力作用下沿著導軌作直線加速運動[10]，由此可得：

Fω=[vxtdtvytdtvztdt]T
=[vxtdt(nt-cosφcos?)g0]T

(1)

式中,Fω為人-椅系統(tǒng)所受的重力、彈射筒推力的合力；vxt、vyt、vzt分別為彈射時彈射座椅沿著X、Y、Z坐標軸的運動速度，其中vxt、vzt和彈射時飛行狀態(tài)相關；nt為彈射過載。

(2) 彈射離機階段的數學模型。

人-椅在火箭包的推力作用下，繼續(xù)上升，然后穩(wěn)定傘張滿，開始減速下降。在該階段，人-椅系統(tǒng)的運動分為剛體運動和剛體轉動[11-12]。

人-椅系統(tǒng)重心的動力學方程為[11]

(2)

前文已假設人-椅系統(tǒng)對稱，則人-椅系統(tǒng)繞重心旋轉的動力學方程為[11]

(3)

人-椅系統(tǒng)受到的力主要有氣動力、火箭包推力、重力和各種力所產的力矩，當穩(wěn)定傘張滿后，還需要考慮穩(wěn)定傘所產生的力和力矩，則有[11]：

(4)

將式(2)～式(4)聯(lián)立求解，即可得出彈射離機階段的運動軌跡。式中，m為人-椅系統(tǒng)重量；ω為人-椅系統(tǒng)的角速度；F為人-椅系統(tǒng)所受的力；M為人-椅系統(tǒng)所受的力矩；I為人-椅系統(tǒng)的轉動慣量；?、φ、φ分別為座椅的俯仰角、偏航角和滾轉角。

根據龍格-庫塔法計算公式對各數學模型求解，即可得到彈射過程中人-椅系統(tǒng)的姿態(tài)和運動軌跡。

4.2 彈射動載荷數學模型

為提高系統(tǒng)的沉浸感，彈射救生模擬訓練系統(tǒng)依據動載荷數學模型驅動硬件裝置產生一定的載荷。動載荷主要在彈射啟動過程和救生傘打開過程中產生。在彈射啟動過程中產生的動載荷基本固定，所以僅需要對救生傘打開過程的動載荷進行研究。

開傘動載荷取決于開傘作用力和飛行員質量[14-15]。

(5)

開傘力取決于救生傘、飛行員、救生傘空氣附加質量、飛行員-救生傘運動速度和飛行員-救生傘運動軌跡與水平面的夾角[6]。

(6)

式中,Fk為開傘作用力；ms為救生傘的質量；mq為飛行員的質量；mq為救生傘空氣附加質量；Qs為救生傘啟動阻力；θ為人-傘運動軌跡和水平面的夾角。

5 系統(tǒng)實際運行數據和使用評價

5.1 系統(tǒng)實際運行數據

① 某型座椅在飛機平飛狀態(tài)，飛行高度500 m，飛行速度450 km/h時進行模擬彈射訓練，依據系統(tǒng)輸出的人-椅運動坐標文本數據繪制彈射軌跡曲線，和工廠試驗曲線進行比較，如圖8所示。

圖8 視景系統(tǒng)中彈射運動軌跡

由圖8可以看出，依據系統(tǒng)輸出數據繪制的曲線和試驗曲線[6]相比，變化趨勢基本相同，但是相對向右、向上平移，即彈射后，人-椅系統(tǒng)在水平方向和垂直方向上的位移量偏大，主要是由為簡化視景驅動模型而設定的假設條件所致；并且在實際試驗中，由于干擾因素隨時都會發(fā)生變化，每次座椅彈射試驗獲得的彈射軌跡曲線本身也存在著一定的差異，所以系統(tǒng)通過視景驅動獲得的彈射軌跡曲線能夠滿足彈射救生模擬訓練需求。

② 在人-傘連接部件處安裝傳感器，測量飛機在平飛狀態(tài)，飛行高度500 m時，某型彈射座椅在不同速度下模擬彈射時所產生的開傘動載荷，并與工廠數值進行比較，如表1所示。

表1 某型座椅部分開傘動載荷仿真數據

由表1可知，除在飛行速度為650 km/h時，系統(tǒng)的開傘動載荷大于實際試驗值，其余情形都在實際實驗值范圍內。原因在于飛行速度為450～800 km/h時，彈射座椅救生傘開傘延遲時間隨速度發(fā)生變化，無法準確估算，為簡化軟件，開傘延遲時間按照斜率進行估算，但是開傘動載荷誤差在10%以內，能夠滿足系統(tǒng)使用需求。

5.2 使用評價

試用結果表明，該設備仿真度高，基本上還原了彈射救生裝置工作過程，具有良好的彈射載荷體驗；通過訓練，糾正了飛行員使用設備的錯誤操縱動作和認知，提高了其對彈射救生時機的把握，實用性較高。

6 結束語

基于AR技術的彈射救生模擬系統(tǒng)能夠最大限度地還原彈射救生操作和彈射救生過程，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了交互式彈射救生模擬訓練，能夠使飛行員把握準確的彈射時機，掌握正確的彈射操作動作，并在虛擬彈射救生場景中形成對彈射救生過程的運動感知，滿足了彈射救生裝置的教學訓練需求。目前，系統(tǒng)雖然能夠較好地還原在平飛狀態(tài)下的彈射救生，但是還需要對救生傘張開數學模型、開傘延遲時間和復雜飛行狀態(tài)下的彈射救生模擬等問題進行研究，進一步提高系統(tǒng)的沉浸感和適用性。