本站原创[摘 要]在现代飞机研制过程中,物理样机是飞机外观展示、总体布置模拟、辅助适航验证等的重要手段.通过着重对物理样机研制必要性进行分析和阐述,表明物理样机在现代飞机研制中的重要作用.
[关 键 词]飞机物理样机研制必要性
中图分类号：P414.2文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）21-0111-01
1飞机物理样机简介
飞机物理样机是为了早期验证飞机设计的适用性,表明飞机及其设备的装卸、维修和使用的匹配性,特别是对总体布局、人机工程、驾驶员视野、结构安装、设备的间隔（隙）、照明效果、工业设计等效果进行模拟和分析,避免以后在原型机的研制过程中出现设计反复.物理样机按功能可分为协调样机和展示样机两类.
协调样机是解决飞机设计中的静态、动态协调问题,按全尺寸1∶1制造,根据协调的范围和需要可全机制造或部分部件制造.一般着重解决运动部件与固定结构、成品、系统之间的伸缩协调,各类口盖的开关,人员视野,维护通路,人机工程协调等问题.
展示样机是在协调样机的基础上,除了可以展示飞机的先进布局、驾驶舱和客舱布置等特征外,还模拟了飞机的外形、内装饰等更为接近真实飞机的模型,可以更好的向顾客及公众展示飞机的外观及其主要特点.
2国内外发展现状
国内外的飞机设计研究机构,大多会在细节设计冻结之后制作物理样机,用来检查、验证人机工程等项目,如国内某大型客运机,不仅协调了驾驶舱、客舱的设计,更在航展等重要场合向领导及公众展示了其良好的形象.
计算机辅助设计技术的应用,已实现了飞机无图样设计,可以充分利用计算机三维图像显示、转换,将各系统和各环节的安装、拆卸、间隙进行协调,构成了一种“虚拟样机”系统.但是,为了能够直观地验证设计效果,尤其是人机关系的处理等方面,计算机辅助设计还不能完全替代物理样机在飞机研制过程中的作用.在空客A380项目上,空客公司曾经过于依赖使用电子样机进行可达性和维修性的验证,结果发现根本无法完全模拟真实的安装环境,迫使机身安装通道重新设计,总装工艺重新编排,直接导致整个项目进度的落后.有鉴于此,空客公司在进行A350XWB项目研制时,在汉堡工厂制造了全机身物理样机,以验证系统及部件的安装特性.由此可以看出,在当今国内外飞机设计研究过程中,物理样机仍是检验、协调设计最可靠的手段之一.
3必要性分析
飞机在设计过程中有很多地方需要不断的摸索和改进,这就需要物理样机来提供这样一个真实可见的平台来帮助设计者更好的、更合理的进行设计.其必要性主要体现在以下几个方面：
3.1不可替代性
物理样机最大的特点是能给人以真实的印象和感受.在飞机的细节设计完成之后,飞机的布置情况已经接近真实,可利用物理样机来验证这些布置是否满足人机工程、适航评审、设备的安装维修、驾驶员操作习惯等要求.尤其是驾驶员对于驾驶舱布置的直观感受和真实体验的需求,作为AEG评审的重要组成部分,驾驶员对于开关可达性的操作,操作器件的布置位置、防误动的设计,以及舱内灯光照明的布置是否合理等,均需要物理样机来提供参考.这些都是数字样机无法模拟和代替的.
3.2人机工程的需求
人机工程是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法,对人体结构特征和机能特征进行研究,提供人体各部分的结构参数和机能特征参数,分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特征；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等.适航当局发布的ANM-99-2（《运输类飞机驾驶舱人机工程验证指南》）中有这样的描述：“物理模型评估：这一种评估采用飞行驾驶舱及其组建的物理样机.他们主要用于评估飞机的可达性和间隙,因此,他们需要很高的几何准确性.”意思就是说：物理样机作为主要的评估工具.如果可以使用飞行模拟器,将提供一个更强大的评估环境,因为它可以使评估在飞行的情景下进行,这样可以更多的考虑进飞行的便利性以及可能出现疏忽造成的错误操作.飞行模拟器还可以减少飞行试验的次数.因此可以认为,物理样机是适航当局推荐的一种人机工程适航验证方法.
3.3AEG座舱评审需求
AEG的驾驶舱评审是由满足人体测量学要求的人员利用CATIA模型、工程样机、真实飞机进行驾驶舱评审,并给出详细的飞行员的评语,以改进设计,并作为满足条款要求的一种符合性验证方法.AEG评审检查单中人体测量学、显示器设置、驾驶舱布局、灯光、出入门、驾驶舱环境、驾驶舱视界等项目需要评审人员直观感受.
从检查项可以看出,通过物理样机来检验驾驶舱设计是最为方便可靠的方法之一,能给评审人员更加真实感受.而且,一旦发现问题,可以适时调整设计方案,具有一定的灵活性.同时,在与适航进行AEG评审的相关事宜沟通时,适航部门也表示物理样机是可以接受的评审对象.
3.4适航审查的需求
在中国民用航空规章CCAR-25部中第25.1141（a）条、25.771、25.773、25.775、25.777等条款对人机工程问题提出了要求,而通过物理样机的模拟和运动结果分析都可以对这些条款进行一定的解释,避免使用原型机对这些条款进行验证和解释,节省了经费和周期.
3.5安装与维修的需要
驾驶舱是一个设备和线束集中的区域,在拥挤的安装空间内却布满了各系统的设备、管路、电缆等.通过物理样机,不仅可以清楚的展现设备的相互间位置,检查其布置的合理性,还可以检验线束和管路的布置,以及他们之间互相影响情况.
物理样机的制作过程,即设备的安装,线束和管路的铺设过程也能为真飞机的制作提供一定参考,使得将来真飞机的安装过程更合理,维护性更高.
3.6客户体验与展示
虽然目前已经产生了虚拟展示,3D虚拟现实技术广泛应用,但是,和看得见、摸得着,有真实触感的物理样机的体验,是无法相比的.作为展示样机,飞机物理样机模型可以更加直观的向顾客及公众展示飞机的外观及其主要特点,可以用于航展、产品展示厅等.
物理样机在完成其使用寿命后可用于领导的参观访问以及用于潜在客户的操作感受,也可用于对新人的培养教育.
3.7后续利用
物理样机主要模拟的是飞机的座舱环境和部分物理部件的运动,在物理样机完成其协调、验证、展示等使命之后,还具有后续使用的作用,主要为：
（1）可在原物理样机的基础上进行更改,设计飞机的工程模拟器,用于为飞行员熟悉飞机的操作,培养飞行员.
（2）物理样机上许多产品使用的都是真实的成品件,高,可以将有用部件回收,用于真实飞机的安装,可提高使用率,并节约成本.