某型直升機駕駛艙眩光仿真分析及設計改進

某型直升機駕駛艙眩光仿真分析及設計改進

摘要：針對某型直升機駕駛艙風擋玻璃眩光問題，利用SPEOS軟件進行光學仿真分析，得出眩光光源為中央操縱臺發(fā)光器件，然后提出了加裝活動遮光罩的設計改進方案，并對改進方案進行光學仿真和裝機試驗驗證，結果表明，提出的改進方案有效、可行。所述的眩光分析方法和解決措施對其它各類駕駛艙眩光問題具有良好的參考價值。關鍵詞：駕駛艙眩光光學仿真活動遮光罩設計改進引言設計合理的駕駛艙，應能夠為飛行員提供良好的飛行視野、舒適的駕駛姿勢和合理的控制器布局，使其可以精準的控制直升機，高效安全的完成飛行任務。駕駛艙的設計越來越受到人們的重視。某型直升機在夜航條件下駕駛艙風擋玻璃左右兩側出現(xiàn)過高亮度的圖像，導致背景與視野中心的亮度差較大，引起飛行員視覺不適，嚴重影響觀察視線，此為常見的眩光現(xiàn)象（如圖5.a）。目前，直升機風擋玻璃眩光現(xiàn)象較為普遍。眩光是引起視覺疲勞的重要原因之一，給飛行安全帶來巨大隱患。因此消除或減弱直升機駕駛艙眩光可以提高直升機的飛行體驗，減少飛行事故[1]。本文針對某型直升機駕駛艙風擋玻璃眩光問題進行光學仿真分析，以確定眩光原因；然后根據眩光原因，提出解決方案；最后通過光學仿真分析、地面與飛行試驗，驗證解決方案的有效性和可行性。

眩光仿真分析1.1仿真軟件簡介光學仿真采用SPEOS光學分析軟件。SPEOS是由法國OPTIS公司開發(fā)用于光學設計仿真、環(huán)境與視覺模擬系統(tǒng)，其廣泛用于中國、歐美、日本等國家航空、航天、軍工、汽車等工業(yè)領域。SPEOS軟件以CATIAV5為操作平臺，是全球唯一整和機構進行光機系統(tǒng)設計的軟件，也是全球唯一可依據人眼視覺特征和物體真實物理屬性進行的現(xiàn)實場景仿真的專業(yè)軟件。SPEOSCATIAV5在飛機駕駛艙和座艙的應用方向有輔助駕駛艙光學結構設計、客艙或駕駛艙視覺仿真成像、機艙內/外照明設計、機艙內顯示器及儀表光學設計、光學探頭等機艙外光電探測和光電成像設備設計等。1.2光學仿真流程運用SPEOS軟件開展光學仿真分析的過程主要包括建立三維模型、設定材料光學屬性、設定光源參數(shù)、人眼視覺仿真分析[2]，各步驟內容如下：

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)建或導入所需分析的駕駛艙、客艙等三維模型；設定材料光學屬性：材料光學屬性分體光學屬性和表面光學屬性，可從SPEOS軟件內部材質庫取得或以軟件內部編輯的方式來設定，設定內容包含折射率、吸收率、反射率、折射率、光譜等；設定光源參數(shù)：可從SPEOS軟件內部光源庫取得或以軟件內部編輯的方式來設定，設定內容包含發(fā)光模式、發(fā)散形狀、能量分布規(guī)律、光譜組成等；人眼視覺仿真分析：根據創(chuàng)建的模型和設定的光學參數(shù)，執(zhí)行人眼視覺仿真，將仿真結果按需求進行輸出。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駕駛艙內部結構三維模型，主要包括儀表板、遮光罩、中央操縱臺、風擋玻璃、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上。根據某型直升機型號總體文件規(guī)定的設計眼位創(chuàng)建眼位點。某型直升機駕駛艙布置與人眼眼位見圖1。本文僅分析駕駛艙左側部分，右側模型及仿真分析與左側相同。1-儀表板；2-遮光罩；3-中央操縱臺；4-風擋玻璃；5-座艙骨架；6-顯示器等發(fā)光器件；7-眼位圖1某型直升機駕駛艙三維模型1.3.2設定材料光學屬性某型直升機駕駛艙內部結構和發(fā)光器件的材料包括鋁合金、鋼、玻璃纖維與碳纖維復合材料、玻璃等，材料光學屬性均可從SPEOS軟件內部材質庫直接取得而設定于對應材料上，具體牌號與參數(shù)省略。1.3.3設定光源參數(shù)通過分析駕駛艙結構與儀表空間布置，利用光跡追蹤法，可初步判斷導致風擋玻璃兩側眩光的光源為中央操縱臺上的發(fā)光器件。從SPEOS軟件內部光源庫選取、設置中央操縱臺發(fā)光器件對應的光源模型與屬性（圖2）。圖2眩光仿真分析模型與光跡1.3.4人眼視覺仿真分析執(zhí)行人眼視覺仿真命令，得出模擬結果見圖5.a。從模擬結果可以看出，風擋玻璃出現(xiàn)大面積的高亮度圖像，與實際眩光情況（圖6.a）幾乎一致。于是可以確定駕駛艙風擋玻璃眩光現(xiàn)象產生原因為：夜航時外部光線極弱，中央操縱臺上發(fā)光器件產生的光線經前風擋玻璃反射，成像于駕駛員視線正前方，過高亮度的圖像與外界黑暗環(huán)境產生強烈對比，導致飛行員視覺不適，影響飛行操作和飛行安全。

設計改進方案2.1設計改進分析據研究，解決駕駛艙眩光問題的方法有優(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，通過優(yōu)化駕駛艙結構，改變眩光光源的光線傳播路徑，減少入射到風擋玻璃的光線，使其無法產生眩光現(xiàn)象。光學仿真分析已經確定眩光光源為中央操縱臺上發(fā)光器件，因此對該部位發(fā)出的光線進行遮擋，使其光線無法傳播到風擋玻璃，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，但該遮光罩過小，無法對中央操縱臺儀表發(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，引起視覺不適，不符合人機工程學。綜上考慮，改進方案確定為在現(xiàn)遮光罩上面加裝可活動的遮光罩，加裝部分只需在特定環(huán)境下（如夜航）啟用，不需要時可收回，減少駕駛艙內占用空間。某型直升機駕駛艙遮光罩較長，鑒于眩光現(xiàn)象僅出現(xiàn)在風擋玻璃兩側，因此在現(xiàn)遮光罩左右兩側各加裝一活動遮光罩即可大幅度降低眩光水平，且代價較小，能夠避免整體活動遮光罩帶來剛度低、結構難實現(xiàn)、機構操作不方便等問題。改進方案總體效果見圖3。圖3改進方案總體效果（打開狀態(tài)）2.2詳細改進方案活動遮光罩組件主要由活動遮光罩、滑軌（2組）、鎖緊裝置、尼龍墊塊組成，如圖4所示。活動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，滑軌主要實現(xiàn)活動遮光罩拉出開啟和退回關閉的功能；使用時，調整活動遮光罩位置后，通過鎖緊裝置壓緊活動遮光罩，使其固定、無法滑動。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活動遮光罩組件組成（僅示左側）

設計改進驗證3.1光學仿真驗證加裝活動遮光罩后，按照1.3節(jié)的操作過程，對駕駛艙進行光學仿真驗證，得出仿真結果如圖5.b。從圖中明顯看出，風擋玻璃無任何光亮圖像。實際效果有待裝機試驗進一步驗證。圖5.a改進前仿真效果圖5.b改進后仿真效果圖5加裝活動遮光罩前后駕駛艙光學仿真結果3.2裝機試驗驗證某型直升機加裝活動遮光罩后，進行了地面可靠性試驗，對活動遮光罩重復進行開啟和關閉動作200次，試驗過程中未出現(xiàn)故障，表明活動遮光罩可靠性良好。之后進行了夜間地面和飛行試驗，加裝活動遮光罩后直升機駕駛艙夜間地面實拍效果如圖6.b所示，飛行員評測結果為：經夜間懸停，起落航線飛行，活動遮光罩打開后極大的改善了眩光問題；打開的活動遮光罩對飛行員頭部空間影響較小，符合人機工程學。圖6.a改進前實拍圖圖6.b改進后實拍圖圖6加裝活動遮光罩前后機上夜間實拍圖

結論本文針對某型直升機駕駛艙眩光問題，利用SPEOS軟件進行光學仿真分析，確定了眩光原因，同時提出了加裝活動遮光罩的設計改進方案，并對改進方案進行了光學仿真和裝機試驗驗證，結果表明，提出的改進方案有效、可行。本文所述的眩光分析方法和解決措施對其它各類駕駛艙眩光問題具有良好的參考價值。參考文獻[1]張煒,馬智,俞金海.