某型直升机驾驶舱眩光仿真分析及设计改进

某型直升机驾驶舱眩光仿真分析及设计改进

摘要：针对某型直升机驾驶舱风挡玻璃眩光问题，利用SPEOS软件进行光学仿真分析，得出眩光光源为中央操纵台发光器件，然后提出了加装活动遮光罩的设计改进方案，并对改进方案进行光学仿真和装机试验验证，结果表明，提出的改进方案有效、可行。所述的眩光分析方法和解决措施对其它各类驾驶舱眩光问题具有良好的参考价值。关键词：驾驶舱眩光光学仿真活动遮光罩设计改进引言设计合理的驾驶舱，应能够为飞行员提供良好的飞行视野、舒适的驾驶姿势和合理的控制器布局，使其可以精准的控制直升机，高效安全的完成飞行任务。驾驶舱的设计越来越受到人们的重视。某型直升机在夜航条件下驾驶舱风挡玻璃左右两侧出现过高亮度的图像，导致背景与视野中心的亮度差较大，引起飞行员视觉不适，严重影响观察视线，此为常见的眩光现象（如图5.a）。目前，直升机风挡玻璃眩光现象较为普遍。眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一，给飞行安全带来巨大隐患。因此消除或减弱直升机驾驶舱眩光可以提高直升机的飞行体验，减少飞行事故[1]。本文针对某型直升机驾驶舱风挡玻璃眩光问题进行光学仿真分析，以确定眩光原因；然后根据眩光原因，提出解决方案；最后通过光学仿真分析、地面与飞行试验，验证解决方案的有效性和可行性。

眩光仿真分析1.1仿真软件简介光学仿真采用SPEOS光学分析软件。SPEOS是由法国OPTIS公司开发用于光学设计仿真、环境与视觉模拟系统，其广泛用于中国、欧美、日本等国家航空、航天、军工、汽车等工业领域。SPEOS软件以CATIAV5为操作平台，是全球唯一整和机构进行光机系统设计的软件，也是全球唯一可依据人眼视觉特征和物体真实物理属性进行的现实场景仿真的专业软件。SPEOSCATIAV5在飞机驾驶舱和座舱的应用方向有辅助驾驶舱光学结构设计、客舱或驾驶舱视觉仿真成像、机舱内/外照明设计、机舱内显示器及仪表光学设计、光学探头等机舱外光电探测和光电成像设备设计等。1.2光学仿真流程运用SPEOS软件开展光学仿真分析的过程主要包括建立三维模型、设定材料光学属性、设定光源参数、人眼视觉仿真分析[2]，各步骤内容如下：

建立三维模型：由于SPEOS软件集成在CATIAV5环境下，可直接在CATIA软件中创建或导入所需分析的驾驶舱、客舱等三维模型；设定材料光学属性：材料光学属性分体光学属性和表面光学属性，可从SPEOS软件内部材质库取得或以软件内部编辑的方式来设定，设定内容包含折射率、吸收率、反射率、折射率、光谱等；设定光源参数：可从SPEOS软件内部光源库取得或以软件内部编辑的方式来设定，设定内容包含发光模式、发散形状、能量分布规律、光谱组成等；人眼视觉仿真分析：根据创建的模型和设定的光学参数，执行人眼视觉仿真，将仿真结果按需求进行输出。1.3驾驶舱眩光仿真分析1.3.1建立三维模型建立某型直升机驾驶舱内部结构三维模型，主要包括仪表板、遮光罩、中央操纵台、风挡玻璃、座舱骨架等，显示器、仪表等发光器件安装在仪表板和中央操纵台上。根据某型直升机型号总体文件规定的设计眼位创建眼位点。某型直升机驾驶舱布置与人眼眼位见图1。本文仅分析驾驶舱左侧部分，右侧模型及仿真分析与左侧相同。1-仪表板；2-遮光罩；3-中央操纵台；4-风挡玻璃；5-座舱骨架；6-显示器等发光器件；7-眼位图1某型直升机驾驶舱三维模型1.3.2设定材料光学属性某型直升机驾驶舱内部结构和发光器件的材料包括铝合金、钢、玻璃纤维与碳纤维复合材料、玻璃等，材料光学属性均可从SPEOS软件内部材质库直接取得而设定于对应材料上，具体牌号与参数省略。1.3.3设定光源参数通过分析驾驶舱结构与仪表空间布置，利用光迹追踪法，可初步判断导致风挡玻璃两侧眩光的光源为中央操纵台上的发光器件。从SPEOS软件内部光源库选取、设置中央操纵台发光器件对应的光源模型与属性（图2）。图2眩光仿真分析模型与光迹1.3.4人眼视觉仿真分析执行人眼视觉仿真命令，得出模拟结果见图5.a。从模拟结果可以看出，风挡玻璃出现大面积的高亮度图像，与实际眩光情况（图6.a）几乎一致。于是可以确定驾驶舱风挡玻璃眩光现象产生原因为：夜航时外部光线极弱，中央操纵台上发光器件产生的光线经前风挡玻璃反射，成像于驾驶员视线正前方，过高亮度的图像与外界黑暗环境产生强烈对比，导致飞行员视觉不适，影响飞行操作和飞行安全。

设计改进方案2.1设计改进分析据研究，解决驾驶舱眩光问题的方法有优化眩光光源、改变传播路径、降低眩光面的反射（如风挡玻璃贴减反膜或抗眩膜[3]）等。本文从传播路径方面考虑，通过优化驾驶舱结构，改变眩光光源的光线传播路径，减少入射到风挡玻璃的光线，使其无法产生眩光现象。光学仿真分析已经确定眩光光源为中央操纵台上发光器件，因此对该部位发出的光线进行遮挡，使其光线无法传播到风挡玻璃，即可起到良好的解决效果。虽然现状态的驾驶舱仪表板上方布置了遮光罩，但该遮光罩过小，无法对中央操纵台仪表发出的光线起到遮光作用。另外，考虑到驾驶员眼位与遮光罩距离有限，如果将遮光罩直接替换加大，则眼位自由空间狭小，引起视觉不适，不符合人机工程学。综上考虑，改进方案确定为在现遮光罩上面加装可活动的遮光罩，加装部分只需在特定环境下（如夜航）启用，不需要时可收回，减少驾驶舱内占用空间。某型直升机驾驶舱遮光罩较长，鉴于眩光现象仅出现在风挡玻璃两侧，因此在现遮光罩左右两侧各加装一活动遮光罩即可大幅度降低眩光水平，且代价较小，能够避免整体活动遮光罩带来刚度低、结构难实现、机构操作不方便等问题。改进方案总体效果见图3。图3改进方案总体效果（打开状态）2.2详细改进方案活动遮光罩组件主要由活动遮光罩、滑轨（2组）、锁紧装置、尼龙垫块组成，如图4所示。活动遮光罩安装在原遮光罩上面，其外形与原遮光罩一致，不影响外观。在活动遮光罩与原遮光罩中间装有2套滑轨及锁紧装置，滑轨主要实现活动遮光罩拉出开启和退回关闭的功能；使用时，调整活动遮光罩位置后，通过锁紧装置压紧活动遮光罩，使其固定、无法滑动。由于原遮光罩为曲面，而滑轨与锁紧装置底部是平面，需要采用柔性尼龙垫块使其与原遮光罩贴合，尼龙垫块还可起到减振作用。1-活动遮光罩；2-滑轨；3-锁紧装置；4-尼龙垫块；5-原遮光罩图4活动遮光罩组件组成（仅示左侧）

设计改进验证3.1光学仿真验证加装活动遮光罩后，按照1.3节的操作过程，对驾驶舱进行光学仿真验证，得出仿真结果如图5.b。从图中明显看出，风挡玻璃无任何光亮图像。实际效果有待装机试验进一步验证。图5.a改进前仿真效果图5.b改进后仿真效果图5加装活动遮光罩前后驾驶舱光学仿真结果3.2装机试验验证某型直升机加装活动遮光罩后，进行了地面可靠性试验，对活动遮光罩重复进行开启和关闭动作200次，试验过程中未出现故障，表明活动遮光罩可靠性良好。之后进行了夜间地面和飞行试验，加装活动遮光罩后直升机驾驶舱夜间地面实拍效果如图6.b所示，飞行员评测结果为：经夜间悬停，起落航线飞行，活动遮光罩打开后极大的改善了眩光问题；打开的活动遮光罩对飞行员头部空间影响较小，符合人机工程学。图6.a改进前实拍图图6.b改进后实拍图图6加装活动遮光罩前后机上夜间实拍图

结论本文针对某型直升机驾驶舱眩光问题，利用SPEOS软件进行光学仿真分析，确定了眩光原因，同时提出了加装活动遮光罩的设计改进方案，并对改进方案进行了光学仿真和装机试验验证，结果表明，提出的改进方案有效、可行。本文所述的眩光分析方法和解决措施对其它各类驾驶舱眩光问题具有良好的参考价值。参考文献[1]张炜,马智,俞金海.