某型直升機(jī)駕駛艙眩光仿真分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

某型直升機(jī)駕駛艙眩光仿真分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

摘要：針對(duì)某型直升機(jī)駕駛艙風(fēng)擋玻璃眩光問(wèn)題，利用SPEOS軟件進(jìn)行光學(xué)仿真分析，得出眩光光源為中央操縱臺(tái)發(fā)光器件，然后提出了加裝活動(dòng)遮光罩的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行光學(xué)仿真和裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，提出的改進(jìn)方案有效、可行。所述的眩光分析方法和解決措施對(duì)其它各類駕駛艙眩光問(wèn)題具有良好的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：駕駛艙眩光光學(xué)仿真活動(dòng)遮光罩設(shè)計(jì)改進(jìn)引言設(shè)計(jì)合理的駕駛艙，應(yīng)能夠?yàn)轱w行員提供良好的飛行視野、舒適的駕駛姿勢(shì)和合理的控制器布局，使其可以精準(zhǔn)的控制直升機(jī)，高效安全的完成飛行任務(wù)。駕駛艙的設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的重視。某型直升機(jī)在夜航條件下駕駛艙風(fēng)擋玻璃左右兩側(cè)出現(xiàn)過(guò)高亮度的圖像，導(dǎo)致背景與視野中心的亮度差較大，引起飛行員視覺(jué)不適，嚴(yán)重影響觀察視線，此為常見(jiàn)的眩光現(xiàn)象（如圖5.a）。目前，直升機(jī)風(fēng)擋玻璃眩光現(xiàn)象較為普遍。眩光是引起視覺(jué)疲勞的重要原因之一，給飛行安全帶來(lái)巨大隱患。因此消除或減弱直升機(jī)駕駛艙眩光可以提高直升機(jī)的飛行體驗(yàn)，減少飛行事故[1]。本文針對(duì)某型直升機(jī)駕駛艙風(fēng)擋玻璃眩光問(wèn)題進(jìn)行光學(xué)仿真分析，以確定眩光原因；然后根據(jù)眩光原因，提出解決方案；最后通過(guò)光學(xué)仿真分析、地面與飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證解決方案的有效性和可行性。

眩光仿真分析1.1仿真軟件簡(jiǎn)介光學(xué)仿真采用SPEOS光學(xué)分析軟件。SPEOS是由法國(guó)OPTIS公司開(kāi)發(fā)用于光學(xué)設(shè)計(jì)仿真、環(huán)境與視覺(jué)模擬系統(tǒng)，其廣泛用于中國(guó)、歐美、日本等國(guó)家航空、航天、軍工、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。SPEOS軟件以CATIAV5為操作平臺(tái)，是全球唯一整和機(jī)構(gòu)進(jìn)行光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，也是全球唯一可依據(jù)人眼視覺(jué)特征和物體真實(shí)物理屬性進(jìn)行的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景仿真的專業(yè)軟件。SPEOSCATIAV5在飛機(jī)駕駛艙和座艙的應(yīng)用方向有輔助駕駛艙光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、客艙或駕駛艙視覺(jué)仿真成像、機(jī)艙內(nèi)/外照明設(shè)計(jì)、機(jī)艙內(nèi)顯示器及儀表光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)探頭等機(jī)艙外光電探測(cè)和光電成像設(shè)備設(shè)計(jì)等。1.2光學(xué)仿真流程運(yùn)用SPEOS軟件開(kāi)展光學(xué)仿真分析的過(guò)程主要包括建立三維模型、設(shè)定材料光學(xué)屬性、設(shè)定光源參數(shù)、人眼視覺(jué)仿真分析[2]，各步驟內(nèi)容如下：

建立三維模型：由于SPEOS軟件集成在CATIAV5環(huán)境下，可直接在CATIA軟件中創(chuàng)建或?qū)胨璺治龅鸟{駛艙、客艙等三維模型；設(shè)定材料光學(xué)屬性：材料光學(xué)屬性分體光學(xué)屬性和表面光學(xué)屬性，可從SPEOS軟件內(nèi)部材質(zhì)庫(kù)取得或以軟件內(nèi)部編輯的方式來(lái)設(shè)定，設(shè)定內(nèi)容包含折射率、吸收率、反射率、折射率、光譜等；設(shè)定光源參數(shù)：可從SPEOS軟件內(nèi)部光源庫(kù)取得或以軟件內(nèi)部編輯的方式來(lái)設(shè)定，設(shè)定內(nèi)容包含發(fā)光模式、發(fā)散形狀、能量分布規(guī)律、光譜組成等；人眼視覺(jué)仿真分析：根據(jù)創(chuàng)建的模型和設(shè)定的光學(xué)參數(shù)，執(zhí)行人眼視覺(jué)仿真，將仿真結(jié)果按需求進(jìn)行輸出。1.3駕駛艙眩光仿真分析1.3.1建立三維模型建立某型直升機(jī)駕駛艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維模型，主要包括儀表板、遮光罩、中央操縱臺(tái)、風(fēng)擋玻璃、座艙骨架等，顯示器、儀表等發(fā)光器件安裝在儀表板和中央操縱臺(tái)上。根據(jù)某型直升機(jī)型號(hào)總體文件規(guī)定的設(shè)計(jì)眼位創(chuàng)建眼位點(diǎn)。某型直升機(jī)駕駛艙布置與人眼眼位見(jiàn)圖1。本文僅分析駕駛艙左側(cè)部分，右側(cè)模型及仿真分析與左側(cè)相同。1-儀表板；2-遮光罩；3-中央操縱臺(tái)；4-風(fēng)擋玻璃；5-座艙骨架；6-顯示器等發(fā)光器件；7-眼位圖1某型直升機(jī)駕駛艙三維模型1.3.2設(shè)定材料光學(xué)屬性某型直升機(jī)駕駛艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)光器件的材料包括鋁合金、鋼、玻璃纖維與碳纖維復(fù)合材料、玻璃等，材料光學(xué)屬性均可從SPEOS軟件內(nèi)部材質(zhì)庫(kù)直接取得而設(shè)定于對(duì)應(yīng)材料上，具體牌號(hào)與參數(shù)省略。1.3.3設(shè)定光源參數(shù)通過(guò)分析駕駛艙結(jié)構(gòu)與儀表空間布置，利用光跡追蹤法，可初步判斷導(dǎo)致風(fēng)擋玻璃兩側(cè)眩光的光源為中央操縱臺(tái)上的發(fā)光器件。從SPEOS軟件內(nèi)部光源庫(kù)選取、設(shè)置中央操縱臺(tái)發(fā)光器件對(duì)應(yīng)的光源模型與屬性（圖2）。圖2眩光仿真分析模型與光跡1.3.4人眼視覺(jué)仿真分析執(zhí)行人眼視覺(jué)仿真命令，得出模擬結(jié)果見(jiàn)圖5.a。從模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)擋玻璃出現(xiàn)大面積的高亮度圖像，與實(shí)際眩光情況（圖6.a）幾乎一致。于是可以確定駕駛艙風(fēng)擋玻璃眩光現(xiàn)象產(chǎn)生原因?yàn)椋阂购綍r(shí)外部光線極弱，中央操縱臺(tái)上發(fā)光器件產(chǎn)生的光線經(jīng)前風(fēng)擋玻璃反射，成像于駕駛員視線正前方，過(guò)高亮度的圖像與外界黑暗環(huán)境產(chǎn)生強(qiáng)烈對(duì)比，導(dǎo)致飛行員視覺(jué)不適，影響飛行操作和飛行安全。

設(shè)計(jì)改進(jìn)方案2.1設(shè)計(jì)改進(jìn)分析據(jù)研究，解決駕駛艙眩光問(wèn)題的方法有優(yōu)化眩光光源、改變傳播路徑、降低眩光面的反射（如風(fēng)擋玻璃貼減反膜或抗眩膜[3]）等。本文從傳播路徑方面考慮，通過(guò)優(yōu)化駕駛艙結(jié)構(gòu)，改變眩光光源的光線傳播路徑，減少入射到風(fēng)擋玻璃的光線，使其無(wú)法產(chǎn)生眩光現(xiàn)象。光學(xué)仿真分析已經(jīng)確定眩光光源為中央操縱臺(tái)上發(fā)光器件，因此對(duì)該部位發(fā)出的光線進(jìn)行遮擋，使其光線無(wú)法傳播到風(fēng)擋玻璃，即可起到良好的解決效果。雖然現(xiàn)狀態(tài)的駕駛艙儀表板上方布置了遮光罩，但該遮光罩過(guò)小，無(wú)法對(duì)中央操縱臺(tái)儀表發(fā)出的光線起到遮光作用。另外，考慮到駕駛員眼位與遮光罩距離有限，如果將遮光罩直接替換加大，則眼位自由空間狹小，引起視覺(jué)不適，不符合人機(jī)工程學(xué)。綜上考慮，改進(jìn)方案確定為在現(xiàn)遮光罩上面加裝可活動(dòng)的遮光罩，加裝部分只需在特定環(huán)境下（如夜航）啟用，不需要時(shí)可收回，減少駕駛艙內(nèi)占用空間。某型直升機(jī)駕駛艙遮光罩較長(zhǎng)，鑒于眩光現(xiàn)象僅出現(xiàn)在風(fēng)擋玻璃兩側(cè)，因此在現(xiàn)遮光罩左右兩側(cè)各加裝一活動(dòng)遮光罩即可大幅度降低眩光水平，且代價(jià)較小，能夠避免整體活動(dòng)遮光罩帶來(lái)剛度低、結(jié)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)、機(jī)構(gòu)操作不方便等問(wèn)題。改進(jìn)方案總體效果見(jiàn)圖3。圖3改進(jìn)方案總體效果（打開(kāi)狀態(tài)）2.2詳細(xì)改進(jìn)方案活動(dòng)遮光罩組件主要由活動(dòng)遮光罩、滑軌（2組）、鎖緊裝置、尼龍墊塊組成，如圖4所示?；顒?dòng)遮光罩安裝在原遮光罩上面，其外形與原遮光罩一致，不影響外觀。在活動(dòng)遮光罩與原遮光罩中間裝有2套滑軌及鎖緊裝置，滑軌主要實(shí)現(xiàn)活動(dòng)遮光罩拉出開(kāi)啟和退回關(guān)閉的功能；使用時(shí)，調(diào)整活動(dòng)遮光罩位置后，通過(guò)鎖緊裝置壓緊活動(dòng)遮光罩，使其固定、無(wú)法滑動(dòng)。由于原遮光罩為曲面，而滑軌與鎖緊裝置底部是平面，需要采用柔性尼龍墊塊使其與原遮光罩貼合，尼龍墊塊還可起到減振作用。1-活動(dòng)遮光罩；2-滑軌；3-鎖緊裝置；4-尼龍墊塊；5-原遮光罩圖4活動(dòng)遮光罩組件組成（僅示左側(cè)）

設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證3.1光學(xué)仿真驗(yàn)證加裝活動(dòng)遮光罩后，按照1.3節(jié)的操作過(guò)程，對(duì)駕駛艙進(jìn)行光學(xué)仿真驗(yàn)證，得出仿真結(jié)果如圖5.b。從圖中明顯看出，風(fēng)擋玻璃無(wú)任何光亮圖像。實(shí)際效果有待裝機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。圖5.a改進(jìn)前仿真效果圖5.b改進(jìn)后仿真效果圖5加裝活動(dòng)遮光罩前后駕駛艙光學(xué)仿真結(jié)果3.2裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證某型直升機(jī)加裝活動(dòng)遮光罩后，進(jìn)行了地面可靠性試驗(yàn)，對(duì)活動(dòng)遮光罩重復(fù)進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作200次，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)故障，表明活動(dòng)遮光罩可靠性良好。之后進(jìn)行了夜間地面和飛行試驗(yàn)，加裝活動(dòng)遮光罩后直升機(jī)駕駛艙夜間地面實(shí)拍效果如圖6.b所示，飛行員評(píng)測(cè)結(jié)果為：經(jīng)夜間懸停，起落航線飛行，活動(dòng)遮光罩打開(kāi)后極大的改善了眩光問(wèn)題；打開(kāi)的活動(dòng)遮光罩對(duì)飛行員頭部空間影響較小，符合人機(jī)工程學(xué)。圖6.a改進(jìn)前實(shí)拍圖圖6.b改進(jìn)后實(shí)拍圖圖6加裝活動(dòng)遮光罩前后機(jī)上夜間實(shí)拍圖

結(jié)論本文針對(duì)某型直升機(jī)駕駛艙眩光問(wèn)題，利用SPEOS軟件進(jìn)行光學(xué)仿真分析，確定了眩光原因，同時(shí)提出了加裝活動(dòng)遮光罩的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了光學(xué)仿真和裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，提出的改進(jìn)方案有效、可行。本文所述的眩光分析方法和解決措施對(duì)其它各類駕駛艙眩光問(wèn)題具有良好的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)[1]張煒,馬智,俞金海.