1、新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 科技兴安飞行保护头盔人机工效分析与仿真齐敏，曲洪东，黄丽琼，刘凯，宋兆骅（西安北方光电科技防务有限公司，陕西 西安 ；陆军航空兵研究所，北京 ）摘要：基于飞行保护头盔功能拓展、人机工效性能提升的需求，给出了飞行保护头盔的人机工效分析、仿真方法和仿真实例。首先，进行飞行保护头盔人机工效影响因素识别和视觉、听觉、骨骼受力、血流神经等方面的健康影响分析，建立飞行保护头盔人机工效评价的一般流程和方法；其次，阐述飞行保护头盔人机工效仿真原理，以质量特性仿真为实例给出完整的仿真分析过程：最后，进行仿真模型建立、参数设定、仿真计算和结果评价，并落实设计改进于实物样机。通过
2、飞行保护头盔人机工效分析与仿真，包括要素识别、影响分析、仿真方法展示等，为获得人机工效性能更优的飞行保护头盔提供了基础。关键词：飞行保护头盔；人机工效；影响因素；分析；仿真；评价中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：，我军从 世纪 年代开始仿制苏联飞行头盔，世纪 年代，飞行员配发第一代个体防护装备 头盔，历经型号改进至今，已经不是单纯的个体防护装备，而是集飞行员头部防护、通信、瞄准、显示、夜视为一体的综合头盔。对于飞行员，飞行保护头盔不仅承担着基本的防护通信功能，在功能领域也拓展承担了飞参、导航、火力控制等信息数据的显示功能，同时还需具备电叠加或光叠加的夜视显示能力。飞行保护头盔从一个防护
3、通信装备升级为集光、机、电、算等多专业技术为一体的武器装备，是通信、瞄准、夜视、显示等多功能模块的加载平台和武器控制平台。伴随军事技术的发展，装备因素的重要性日渐上升，人的因素、装备因素结合得越来越紧密，人与装备已经高度一体化，产品的设计和装备必须同时考虑人的因素和环境因素，将“人机环境”三者融为一体，构成完整的大系统观，以系统的观点设计装备，检验装备，使用装备。同时，飞行保护头盔既作为重要的机载设备，又作为人体佩戴的个体装备，其人机工效性能影响飞行员工作负荷，进而影响作战效能。因此，进行飞行保护头盔人机工效研究需求明确而迫切。飞行保护头盔人机工效人机工效是在研究“人机环”个要素本身特性的基础
4、上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将人和人所使用的设备、人和设备所处环境作为一个系统来研究，即“人机环”系统。在这个系统中，人、机器、环境个要素相互作用，共同决定系统总体的功能性能。飞行保护头盔的人机工效学研究主要涉及飞行保护头盔佩戴使用的稳定性、适体性、舒适性等特性，国内外军方都非常重视。美军最先且较深入开展对军用头盔工效学性能的研究，早在 世纪六七十年代就开始研究工作，在 年代就DOI:10.16635/ki.1003-5311.2023.02.002科技兴安 新技术新工艺 科技兴安开始进行个体防护装备的研究，持续采用多种技术手段提高装备的人机工效效果。目前，最具有典型意义的装备即为
5、 头盔显示器，通过内衬制造个性化、光学系统装调个性化、护目镜位置安装个性化等具体措施使其具有了良好的人机工效性能，较好地满足了不同飞行员的佩戴需求。美军普通飞行保护头盔分为固定翼飞机头盔系列和旋翼飞机头盔系列，典 型 头 盔 有 、等，在头盔分型、内衬设计、护目镜收放及更换等方面均有其独特设计。国内飞行保护头盔人机工效研究起步较晚于国外，开展的研究模型多为工作范围、视域检测、姿态和平衡、动作舒适性等方面，研究要素仍在持续完善中。飞行保护头盔人机工效分析飞行保护头盔人机工效影响因素识别人机工效是将人、设备及其所处环境有机地结合起来，使之发挥最大的效能。从“人机环”组成角度描述，飞行保护头盔的人机
6、工效影响因素众多：从人的角度分析，包括个体生理条件和心理状态等；从环境的角度分析，包括人和设备所在环境的温度、湿度、照明和噪声等；从设备（头盔）的角度分析，包括质量、质心、转动惯量、适体性和散热性等（见图）。图飞行保护头盔人机工效因素关联示意图飞机是火力、防护、机动三大要素集成体，飞行保护头盔装备于机载平台，梳理飞行保护头盔任务需求：起飞着陆、空空空地作战、巡航飞行等，综合分析其任务需求对应于能力需求包括个方面（见图）：）具备作为显示、定位功能模块平台的稳定佩戴能力；）具备头部防护能力；）具备语音通信能力。图飞行保护头盔能力需求图从功能角度确定飞行保护头盔人机工效性能需求：适体、稳定、舒适，易
7、操作。进一步分解细化为如下影响因素：质心、质量、转动惯量、视野、头部压力、热负荷及散热性、操控可达性、操作便捷性、佩戴稳定性、防噪声性能等因素均对头盔人机工效性能产生较大影响，因此识别飞行保护头盔人机工效主要影响因素构成如图所示。图飞行保护头盔人机工效主要影响因素构成图飞行保护头盔健康影响分析生理健康和工作效能本质上是关联的，工作效能是量变的评价，影响生理健康是量变积累后的质变。具体而言，飞行保护头盔人机工效主要因素影响飞行员生理健康及工作效能（见图），这些因素对飞行员生理健康及工作效能具有共同作用和影响。图人体生理健康影响因素示意图新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 科技兴安）听觉影响分析。
8、头盔的防噪声性能决定了飞行作战任务中传递到人体生理系统的噪声等级。而噪声对人体生理健康最直接的影响是人体听觉，一定量级的噪音过大，短时会伤害影响工作效能，长时则造成对人体听觉的损伤。同时，医学专业研究已经表明，长期噪声可使血压升高，伤害人体的心脑血管，内分泌失调。）视觉影响分析。人获取到的信息主要来自视觉。人的认识与人的 器 官 的 关 系 是 味 觉、触 觉 、嗅 觉 、听觉、视觉。飞行保护头盔对于视觉的影响主要是佩戴飞行保护头盔对于人体视野有所遮挡。人体两只眼睛的总视野约有 ，其中中间部分约有 是双眼视觉区域，两侧各有 是单眼视觉区域。虽然人体辨别字、字符和颜色的视场大概在 以内，但眼睛余
9、光所获取中心视野外的环境信息对飞行安全亦为重要。如果视野遮挡缺失，会对飞行效率和飞行安全产生影响。研究表明，人体长期处于有负担的视觉环境，逐渐会内心焦虑、血压上升、行为异常等。）肩、肘关节影响分析。设备的操作便捷性和操作可达性影响飞行员的身体动作状态，飞行保护头盔佩戴使用操作影响肩、肘关节。飞行保护头盔护目镜的收放、功能旋钮的放置需要考虑飞行员肩、肘关节操作便捷性和操作可达性。）颈椎影响分析。头盔对于飞行员颈椎的影响是反映较为集中和突出的问题。生理力学研究反映头盔质心、颈肌背侧肌群作用点和寰枕关节支点构成力平衡系。佩戴头盔后，盔体质量会增加肌肉群的负荷，如果头盔质心偏离头部生理质心，则会改变肌
10、肉作用力的分布，增大颈部肌肉疲劳程度，大大降低舒适性。长期偏离，则会影响飞行员颈椎自然弯曲度，影响其健康状态。）头部血管血流情况分析。人体头部血管及神经分布如图所示。从图可以看出，耳屏点处、侧前额处有较为密集的血管分布，这些地方都不宜有过大的压力出现，以免影响飞行员的头部供血。神经分布和血管分布位置大致相同，可以归并总结生理影响。）人体头部血流分布科技兴安 新技术新工艺 科技兴安）人体头部神经分布图人体头部血流神经分布示意图飞行保护头盔人机工效评价人机工效要求一直存在“易提难测”的难题，各个生产厂家、研究单位均为此持续努力。随着测试技术和仿真技术的发展，目前在产品实现的不同阶段可以通过仿真分析
11、法、实验法、问卷法、访谈法、观察法等不同手段来实现飞行保护头盔的部分人机工效要素评价，也可在同一阶段对同一要素使用不同的方法进行多维评价，相互验证。仿真分析法进行飞行保护头盔模型评价完成验前分析，实验法进行半实物仿真实验室测试，完成验后评价；通过问卷法、观察法、访谈法收集受试人员的直观反馈，与仿真分析法和实验法获得的客观数据进行交叉印证，迭代进行，综合评判，最终获得飞行保护头盔人机工效评价结果。飞行保护头盔人机工效评价流程框图如图所示，根据需要可以进行多轮评价及迭代改进。需要注意的是，对于单体装备工程研制阶段和装备使用全寿命周期均可进行人机工效评价，不同阶段的评价方法有所区别，可选择一种方法评
12、价也可多种方法合用，阶段的划分参照武器装备全寿命过程，包括论证、方案、工程研制、生产和部署、使用保障及退役处理个阶段。评价的目的主要有个：选择、设计和改进。选择人机工效效能最好的装备，达到最优的作战效能；为装备的设计和实施提供理论基础，以实现系统的最佳设计和配制；对已有的装备进行完善和改进，提高运行效率。图飞行保护头盔人机工效评价流程框图飞行保护头盔人机工效仿真仿真原理相较于实验法、问卷法、观察法和访谈法的验后评价，仿真法可以早于物理实现介入，对于技术方案的选择、设计和改进具有积极的意义。飞行保护头新技术新工艺 年第期 新技术新工艺 科技兴安盔人机工效仿真原理是在专业软件仿真环境中，将飞行保护
13、头盔三维模型电子装配在人体头部模型上，并赋予必要的热、质量等物理属性，通过软件对盔体人机工效特性（热舒适性、操作可达性、操作便捷性、视野、压力分布等）进行仿真计算。仿真具体过程为：首先对头盔模型和人体头部模型进行处理，进行网格划分，对重点区域增加网格划分精度，提高分析准确率。由于头顶部是一个复杂曲面，为了保证仿真要素的正确体现并方便分析计算，分析算法包括头顶曲面坐标系转换算法、仿真特性要素计算方法等，具体仿真流程分解步骤如下。飞行保护头盔人机工效仿真流程框图如图所示。）确定研究对象，本文中研究对象为飞行保护头盔。）确定仿真环境。飞行保护头盔涉及的人机工效要素包括热舒适性、操作可达性、操作便捷性
14、、视野、压力分布等，不同的要素需要不同的仿真环境，如热舒适性可使用 软件仿真环境。）建立仿真模型。）给定仿真环境边界参数，给定求解模型。）仿真计算。）仿真合格性判断，给出仿真结果。图飞行保护头盔人机工效仿真流程框图仿真实例仿真环境及模型建立仿真环境建立首先依据仿真要素项，选择仿真软件，并根据实际工作环境条件，给定座舱结构参数、环境参数（空气温度、湿度、压力、速度）等条件划分流场进行模拟，所有流动与传热过程都应遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒的控制方程。人体模型建立参照我国飞行员典型百分位男性人体尺寸数据，创建虚拟飞行员头部及躯体模型，并导入虚拟仿真飞行保护头盔三维数字模型。通过对虚拟飞行员人体
15、模型的姿态进行精细控制与调整，创建出佩戴直升机飞行头盔的虚拟飞行员人体模型（见图）。）姿态控制与调整）佩戴头盔的模型图仿真模型构建示意图飞行保护头盔人机工效影响因素均可通过相应的软件环境进行人机工效仿真，现以质量特性为例进行仿真。飞行保护头盔质量特性包括质量、质心、转动惯量，质量决定飞行员颈椎负担载荷大小，质心直接影响佩戴舒适性，转动惯量影响佩戴稳定性。质量特性仿真环境选取 三维软件，将飞行保护头盔三维数字模型电子装配与人体头部，建立质量特性仿真模型。仿真参数给定通过 软件内置常用材料库，对飞行保护头盔零部件指定材料，对盔体零件赋予真实材料相同的材料特性（见图），并补充创建内置材料库里没有的材
16、料，使用软件测量功能进行数据计算，获得头盔质量特性数据（见表）。科技兴安 新技术新工艺 科技兴安）材料种类选择）材料特性参数设置）材料设置图材料设置示意图表飞行保护头盔质量特性数据序号名称密度 部件备注材料 零件材料 零件材料 零件 材料 零件 材料 零件 质量 （不含电缆）质心，转动惯量 ，仿真计算与结果评价从力学的角度分析，头盔的质量、质心、转动惯量是个相互联系的力学性能指标。头盔质心偏离头部生理质心，则会增加颈背部肌肉作用力，增大颈部疲劳程度，降低舒适性。在质心过高时，转动惯量增大，还会影响头盔佩戴稳定性。当头部运动时，头盔的质量会产生惯性力，作用于头部，质量越大，惯性力越大，即头部受力越大。如果头盔盔型过大，盔装功能模块分布较远于质心或者质量较大，则其转动惯量也越大，头部所受的扭转力矩也更大。最终，无论是质量过大、质心位置不合理，还是转动惯量过大，都会造成头部负荷的增加，从而影响头盔佩戴的舒适性和稳定性。仿真质量为 ，质心（，）位置为（，），、向对应转动惯量仿真结果为（，）。可以看出在不含电缆状态下，飞行保护头盔向质心仍是略高，在大过载飞行条件下，会给飞行员带来较大的惯性力，仍