張 琳，姚 欽，劉 娟，趙顯亮，劉 琳，白 霜，劉啟明，鄭穎鵑

空間定向障礙（spatial disorientation，SD）是飛行員在空中飛行時(shí)，由于視覺、前庭、心理的同時(shí)作用而對飛機(jī)姿態(tài)做出錯(cuò)誤判斷的感覺，這種感覺往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故。Benson指出飛行員SD事故最早可以追溯到1913年，美國空軍在2005年將SD納入儀表飛行程序手冊，并將SD定義為飛行員無論飛行經(jīng)驗(yàn)熟練程度如何都會(huì)對飛機(jī)姿態(tài)和平顯參數(shù)產(chǎn)生誤判，使飛行員出現(xiàn)感覺差異［1］。而隨著各國空軍飛行工業(yè)制造技術(shù)的日新月異，尤其是高性能飛機(jī)在載荷、速度、角加速度［2］的不斷優(yōu)化，從而對飛行員的空間動(dòng)態(tài)飛行環(huán)境認(rèn)知能力［3］提出了新的考驗(yàn)。

1 SD的成因

SD成因復(fù)雜，這與飛行員的空間定向感覺器官、心理狀態(tài)、飛行經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)變能力、儀表狀態(tài)及外在氣象條件都有關(guān)。就感覺器官而言，通過飛行員自身視覺系統(tǒng)觀察到的外界信息占比為0.8，前庭系統(tǒng)感受的空間信息占0.1，本體覺感知人體平衡占0.1［2］。說明視覺系統(tǒng)在空間定向障礙形成的整個(gè)過程中起到了至關(guān)重要的作用［4］，與此同時(shí)，這也是把“雙刃劍”，即眼見不一定為真。因?yàn)楫?dāng)人眼在觀察事物的時(shí)候，絕對視覺方向是由雙眼視網(wǎng)膜的眼中心方和注視方向決定［5］，而在空中隨著飛機(jī)姿勢、速度的不斷變化，艙外視景也隨之不斷變化，從而形成視覺感知與平顯儀表參數(shù)不對等的感覺；前庭系統(tǒng)中半規(guī)管和耳石器分別感受角加速度、重力和線加速度，最后由本體覺的中樞系統(tǒng)翻譯傳輸至大腦形成空間定向知覺［6］，而這種知覺是建立在空中多維立體幾何空間，同時(shí)伴有速度、重力、角加速度的變化。這就極易使飛行員出現(xiàn)SD，這也是飛行員空暈病、眩暈的主要原因［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趨勢。1958—1968年美國空軍6%的飛行重大事故都與SD有關(guān)；其中SD事故致死為75%；從1976—1992年，美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)報(bào)告了1 022起致命事故，其中SD是一個(gè)重要因素，約占所有致命事故的15%；在1980—1989年365起飛行事故中有270起是由SD引起的；在1989—1991年之間，美國空軍14%飛行事故都與SD有關(guān)［7］；1994—1998年發(fā)生的事故中，SD導(dǎo)致的事故發(fā)生率上升到27%。澳大利亞在2007年的SD安全調(diào)查報(bào)告中指出，飛行員在飛行生涯中出現(xiàn)SD癥狀的概率為90%～100%，事故致死率在6%～32%之間，占所有航空事故致死率的15%～26%；美國海軍在2001年發(fā)生了19起A類事故，其中26%是由SD引起的，占死亡總?cè)藬?shù)的50%［1］。我國空軍近年來發(fā)生的多起飛行事故都SD相關(guān)。

3 SD晝夜事故特征

由于晝夜能見度的差別，夜間飛行能見度差，因此SD事故的致死率相比白天要高。美國空軍針對晝夜SD致命率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1），這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)調(diào)查也證實(shí)了夜間SD墜毀與致死率高的聯(lián)系［8］。美國陸軍直升飛機(jī)從1987—1995年發(fā)生的291起飛行事故中有87起歸因于SD，而這其中事故的10%都發(fā)生在夜間［1］；美國海軍在1990—2000年的A類事故中，有20%的事故是由SD引起的，其中50%是在夜間發(fā)生的，占所有事故的64%；美國空軍2006年對1990—2004年的飛行事故進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，11%的事故是由SD引起的，23%的夜間事故是由SD相關(guān)因素引起的，調(diào)查結(jié)果的致死率更驚人，因?yàn)镾D占所有事故的57%，夜間致死的占81%［1］。晝夜飛行從外在環(huán)境分析是因?yàn)榍巴セ虮倔w感受信號(hào)在白天會(huì)被視覺輸入覆蓋，因?yàn)轱w行員通?？梢愿鶕?jù)地面參考信息來確定他們相對于地球的方位。然而，當(dāng)能見度在惡劣天氣或夜間受到限制時(shí)，飛行員必須使用姿態(tài)指示器，并與座艙內(nèi)安裝的其他儀器配合，以確定自己的方位［9］。這就使得視野受限，導(dǎo)致SD夜間事故致死率高發(fā)。

表1 美國空軍發(fā)生在白天黑夜SD比例及SD致命率［8］[例（%）]

4 不同類型飛機(jī)的SD墜機(jī)和致死率

針對飛機(jī)類型和SD墜機(jī)率及致死率的調(diào)查研究，美國空軍曾對7種以上包括攻擊機(jī)、單雙座機(jī)、直升機(jī)、教練機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)等做了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（表2）?？梢钥闯鯝-10、A-7、F-16由于在機(jī)動(dòng)性上具有高加速度、高加速度增長率、高角加速度和高認(rèn)知負(fù)荷的特點(diǎn)［10］。在發(fā)生SD時(shí)墜毀率和致死率都偏高。荷蘭發(fā)現(xiàn)73%的荷蘭皇家空軍飛行員描述在F-16戰(zhàn)斗上產(chǎn)生的SD比其他機(jī)型要多［8］。Gillingham發(fā)現(xiàn)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機(jī)動(dòng)靈敏度高，座艙蓋更大及使用了抬頭顯示器［8］。當(dāng)SD事故的數(shù)量以飛行小時(shí)數(shù)的比例計(jì)算時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)或直升機(jī)的SD事故發(fā)生率是非戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)、固定翼飛機(jī)的5倍以上［9］。

表2 美國空軍SD墜毀率（每百萬架次計(jì)算）和飛機(jī)類型致死率［2］

5 新型作戰(zhàn)創(chuàng)新設(shè)備增加SD的風(fēng)險(xiǎn)

目前各國軍事航空針對機(jī)載創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用有增強(qiáng)夜視系統(tǒng)、三維音頻、振動(dòng)觸覺暗示、新符號(hào)學(xué)、自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)等［11］。在新技術(shù)給飛行帶來創(chuàng)新的同時(shí)，也增加了SD的風(fēng)險(xiǎn)，比如夜視設(shè)備和頭盔顯示器雖然可以增強(qiáng)飛行中的態(tài)勢感知。但包含了導(dǎo)致SD發(fā)生的潛在因素，如對比度差、視力下降、有限的視野、深度線索減少等，據(jù)統(tǒng)計(jì)有2/3的直升機(jī)SD事故中都使用了夜視輔助設(shè)備［11］。因?yàn)樵谕砩弦挂曠R增強(qiáng)了可用光圖像，使飛行員能夠在低環(huán)境光線下操控飛行高度。但隨著圖像的退化，視覺靈敏度和對比敏感度降低、視野狹窄等原因，生成的圖像都會(huì)有所變化。佩戴夜視鏡其深度感知能力相當(dāng)于單眼的裸眼視力，減少的視野狹窄會(huì)導(dǎo)致周圍視覺線索丟失，視野狹窄已經(jīng)被證明會(huì)影響空間意識(shí)，對前庭敏感性有潛在的影響［12］。在2009年美國1名飛行員就因?yàn)榕宕饕挂曠R駕駛一架F-16在完成高空掃射時(shí)撞擊了地面［1］；先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)駕駛艙和頭盔顯示器增加了觀察機(jī)會(huì)，飛行員的定位系統(tǒng)可能會(huì)被視覺、本體感受和小葉輸入之間的感覺-感知-認(rèn)知不匹配［1］。因?yàn)檫@種技術(shù)是用來提高飛行員的態(tài)勢感知能力的。雖然這種情況感知能力的增強(qiáng)可能會(huì)大大降低SD，但這些設(shè)備導(dǎo)致不注意盲目性可能會(huì)對飛行員的空間方向感知能力產(chǎn)生不利影響［9］。三維聽覺顯示器是通過雙耳式耳機(jī)發(fā)送聲音生成虛擬聲源，呈現(xiàn)來自任意方向的環(huán)繞，信息通常通過視覺通道呈現(xiàn)，但聽覺通道可明顯縮短反應(yīng)時(shí)間，降低飛行員的工作負(fù)荷，有利于飛行員情景意識(shí)的提高［13］。

6 SD的分類

SD分為三類，即認(rèn)識(shí)不到型（Ι型）、認(rèn)知到型（Ⅱ型）和不可抵御型（Ⅲ型）。當(dāng)飛行員出現(xiàn)不認(rèn)識(shí)或不能識(shí)別是否發(fā)生了飛行SD，或認(rèn)識(shí)但識(shí)別晚，失去控制飛行操縱的時(shí)機(jī)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%飛行員都發(fā)生過空間定向障礙［14］。在實(shí)際的飛行中SD會(huì)呈現(xiàn)出不同的形態(tài)和表現(xiàn)形式，2002年美國空軍調(diào)查了2 582名飛行員的SD經(jīng)歷，前7個(gè)最常見的錯(cuò)覺是傾斜錯(cuò)覺76%、視野喪失69%、傾斜地平線66%、科里奧利61%、黑洞進(jìn)場起飛58%、高度誤判50%、軀體重力錯(cuò)覺（俯仰錯(cuò)覺）44%［1］。而其中的軀體重力錯(cuò)覺或黑洞進(jìn)場起飛錯(cuò)覺是一種前庭加速度錯(cuò)覺即飛行慣性錯(cuò)覺［15］，2001年美國海軍一架F/a-大黃蜂性能噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)在從航母上發(fā)射彈射器后不久在離水面86 m的高空飛行后，飛機(jī)以向下的方向加速墜入水中［1］就是由于SD所導(dǎo)致的。

7 降低SD事故率訓(xùn)練措施

7.1 理論教育及心理疏導(dǎo) 應(yīng)對飛行學(xué)員和飛行員進(jìn)行SD理論教育及心理疏導(dǎo)，理論教育包括SD的產(chǎn)生機(jī)制、分類。心理疏導(dǎo)即是讓飛行學(xué)員和飛行員認(rèn)識(shí)到空間定向障礙是不可避免的，即在未來的飛行中一定會(huì)經(jīng)歷的，因?yàn)榭臻g定向障礙其本質(zhì)是一種心理現(xiàn)象，新老飛行員或不同技術(shù)等級(jí)的飛行員都有可能出現(xiàn)。同時(shí)空間定向障礙還與人的認(rèn)知、心理素質(zhì)、注意力分配以及應(yīng)急處理能力等有著密切關(guān)系，飛行是一個(gè)不斷對抗知覺感知定向與儀表定向的心理沖突過程［2］。雖然SD避免不了，但是急性心理應(yīng)激會(huì)在SD發(fā)生的起到至關(guān)重要的作用［16］，要培養(yǎng)飛行學(xué)員和飛行員樹立迅速急性心理應(yīng)激意識(shí)，即能迅速識(shí)別SD發(fā)生并正確操縱飛機(jī)，避免發(fā)生事故。避免飛行學(xué)員和飛行員對SD產(chǎn)生對畏懼心理。并定期進(jìn)行心理測評。

7.2 儀表視覺空間定向訓(xùn)練 飛行員儀表視覺定向訓(xùn)練是通過將儀表數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際飛機(jī)姿態(tài)信息的過程［2］。包括儀表閃現(xiàn)和儀表判讀［17］。從而訓(xùn)練飛行員快速識(shí)別儀表的判讀能力?，F(xiàn)在各國空軍在航空訓(xùn)練中都加入儀表訓(xùn)練的課程。同時(shí)隨著飛機(jī)技術(shù)的不斷升級(jí)也儀表視覺定向訓(xùn)練提出了更高的要求，訓(xùn)練內(nèi)容要更加豐富，逐步提高儀表視覺空間定向訓(xùn)練難度量級(jí)。只有這樣才能下的綜合儀表視覺空間定向訓(xùn)練。從而保障訓(xùn)練效果，有效地提高飛行員儀表視覺定向能力。

7.3 SD錯(cuò)覺模擬器訓(xùn)練 目前SD錯(cuò)覺模擬器訓(xùn)練已成為各國空軍訓(xùn)練的重點(diǎn)科目，其訓(xùn)練原理是通過多自由度運(yùn)動(dòng)模平臺(tái)模擬飛機(jī)模擬座艙，高逼真視景系統(tǒng)，達(dá)到訓(xùn)練體驗(yàn)SD的效果。飛行錯(cuò)覺的形成的生理特點(diǎn)是當(dāng)繞任一軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，無論產(chǎn)生哪個(gè)方向空間知覺都是正確的。而在停止時(shí)，產(chǎn)生的空間知覺都是錯(cuò)誤的；當(dāng)繞2軸以上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的空間知覺都是錯(cuò)誤的，錯(cuò)誤空間知覺是第三軸的，因?yàn)檫M(jìn)行系統(tǒng)的錯(cuò)覺模擬訓(xùn)練是對抗錯(cuò)覺事故的有效辦法［3］，所以高保真仿真SD模擬器提供了逼真、交互式的SD培訓(xùn)［18］。我軍自1984年開始飛行員航空生理訓(xùn)練有關(guān)地面錯(cuò)覺模擬工作［3］。美國早期的訓(xùn)練是讓飛行員蒙住眼睛在一個(gè)三自由度飛行模擬器中進(jìn)行定向，方向感是在無視覺輔助條件下進(jìn)行定向［19］。相比之下，現(xiàn)代的模擬器運(yùn)動(dòng)平面已經(jīng)從單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)模式發(fā)展到上下左右的平動(dòng)模式。發(fā)展到六自由度高仿真視野和復(fù)雜氣象產(chǎn)生一種身臨其境的體驗(yàn)［18］。大多數(shù)現(xiàn)代仿真器被設(shè)計(jì)成能夠在六個(gè)獨(dú)立的方向上運(yùn)動(dòng)（自由度）“第七”個(gè)自由度偶爾被用來表示離心機(jī)臂G的力［18］。據(jù)統(tǒng)計(jì)99.7%的飛行人員SD生在復(fù)雜氣象飛行條件下［14］。模擬器的軟件系統(tǒng)可以根據(jù)SD產(chǎn)生的不同復(fù)雜錯(cuò)覺環(huán)境設(shè)置包括云、霧、雨、雪等不同的氣象環(huán)境，使飛行員體驗(yàn)各種SD信息，并將其通過大腦的信息處理系統(tǒng)翻譯轉(zhuǎn)化為實(shí)際的飛機(jī)狀態(tài)，最后做出正確的操作反應(yīng)［20］。近些年美軍針對異常姿態(tài)恢復(fù)，姿態(tài)意識(shí)評價(jià)，故障識(shí)別等建立了從模擬器評價(jià)到空中實(shí)際飛行評價(jià)等一整套的飛行員主觀評價(jià)量表、評價(jià)方法和體系［20］。

總之，SD的訓(xùn)練是航空醫(yī)學(xué)生理心理及人機(jī)環(huán)境相互作用的過程。因?yàn)榭臻g定向能力消退速度較快，形成的空間定向能力最多可保持4個(gè)月［19］。所以這就說明SD訓(xùn)練的重復(fù)周期不能超過4個(gè)月，只有不斷按季度進(jìn)行復(fù)訓(xùn)，未來還要不斷對訓(xùn)練效果評估方法進(jìn)行深入研究，提高飛行員應(yīng)變SD的能力，從而避免或減少SD事故率的發(fā)生。