飛行員心電和周圍溫度采集記錄系統(tǒng)設計

曹煜國 趙利利 封衛(wèi)忠

摘要：戰(zhàn)斗機座艙空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有增壓、冷卻、加溫、通風等功能，舒適的座艙環(huán)境，能夠提高飛行員工作效率，降低飛行疲勞，過高或過低的座艙溫度會使飛行員產(chǎn)生應激反應，導致體表溫度和心電變化，嚴重的會影響飛行安全。國軍標對飛行員座艙溫度、壓力控制有嚴格要求，之前簡單測量座艙平均溫度的方法已不能全面反映系統(tǒng)的功能和性能，故設計集成周圍溫度、體表溫度和心電的連體服生理采集記錄系統(tǒng)，能夠更加準確地反映飛行員周圍溫度場。

關鍵詞：空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng);心電;周圍溫度

0? ? 引言

戰(zhàn)斗機座艙空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要作用是為座艙營造一個舒適的溫度環(huán)境，保證飛行員的效率，使飛行員全身心投入飛機操縱和任務執(zhí)行，進而提高作戰(zhàn)效率。飛機上絕大多數(shù)的座艙空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成包括引氣子系統(tǒng)、預冷子系統(tǒng)、制冷子系統(tǒng)、座艙和設備艙供氣子系統(tǒng)。從發(fā)動機引出高溫、高壓氣體，經(jīng)降溫、降壓轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜的空氣供入座艙，既能夠?qū)⒆摐囟日{(diào)節(jié)到人體感覺到舒適的范圍內(nèi)，減少人體疲勞，又能夠進行座艙換氣，在維持座艙壓力穩(wěn)定的前提下，有足夠的新鮮空氣供飛行員呼吸。

關于座艙空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計，先期需要進行詳細仿真計算和大量地面試驗，但依然無法取代整機地面試驗和飛行試驗試飛?？諝庹{(diào)節(jié)系統(tǒng)在設計同時需要對各子系統(tǒng)進行大量的仿真分析，還需要完成座艙流量分配、設備艙流量分配等試驗。座艙空調(diào)系統(tǒng)引氣子系統(tǒng)氣源來自發(fā)動機，飛行高度以及發(fā)動機狀態(tài)直接影響引氣流量、溫度和壓力等;預冷子系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)來自飛行中沖壓空氣和溫度變化的燃油，飛行高度和速度影響沖壓空氣的溫度和流量，燃油溫度受到地面大氣溫度和飛行狀態(tài)的影響;控制系統(tǒng)的電源來自飛機發(fā)電機，供電品質(zhì)的好壞直接影響飛機電源的品質(zhì)。這些都與地面有較大的區(qū)別，因此需要進行詳細的空中試飛試驗和地面試驗。

國軍標對戰(zhàn)斗機空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)提出了詳細的要求，不論座艙是否有增壓功能，都應該有冷卻、加溫和通風能力，以滿足飛機機組和座艙乘員的生理要求，應能保持駕駛員周圍溫度在15～27 ℃的范圍，同時對駕駛艙平均溫度有相應要求。前期，戰(zhàn)斗機座艙內(nèi)溫度場的測量通常采用簡單的溫度分布測量方法，在座艙前后、左右加裝溫度傳感器，通過屏蔽線將傳感器信號送至設備艙采集設備，由于戰(zhàn)斗機內(nèi)座艙布局復雜，空間有限，過多地布置傳感器會影響座艙布置和飛行員操縱飛機，有些艙內(nèi)部位因存在干擾，無法布置溫度傳感器。因此，座艙平均溫度場存在測量不方便的實際缺陷，也不能真實全面地反映飛行員周圍溫度場。

適宜的座艙平均溫度，能夠保證飛行員舒適地操縱飛機。多項研究表明，溫度過高或過低會使飛行員產(chǎn)生熱或冷應激反應，導致飛行員反應能力下降，容易產(chǎn)生疲勞，該問題在長航時飛行時尤為突出。國軍標中對因為座艙溫度冷熱變化導致飛行員心電變化有詳細要求。針對飛行員心電監(jiān)測，美國和俄羅斯都有成熟的案例，俄羅斯研發(fā)的小型化多功能生理監(jiān)測儀“多項式”可對飛行員、航天員進行一系列呼吸循環(huán)生理監(jiān)測，包括動態(tài)心電圖、超聲心動圖、靜脈波動圖、肢體動脈脈搏描記圖、呼吸運動圖等。針對試飛中飛行員周圍溫度和心電測試需求，本文提出了一種新的手段和方法來進行測量。

1? ? 設計方案

飛行員心電和周圍溫度采集記錄系統(tǒng)由六部分組成，包括連體導線服裝、周圍溫度傳感器、體表溫度傳感器、心電傳感器、導線連接和采集/記錄模塊。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

連體服選取10%、50%、90%三種不同百分比體型的飛行員尺寸，定做三種不同尺寸的衣服。周圍溫度傳感器集成在衣服上，衣服腰部預留抗荷管路引出通道，設置記錄系統(tǒng)腰部固定鎖扣。

周圍溫度采集采用鉑電阻溫度傳感器，數(shù)量共9個，測量范圍為-40～60 ℃，其中8個溫度傳感器分別加裝在衣服上左肩、右肩、胸部、腹部、左膝、右膝、左踝和右踝，頭部溫度傳感器通過導線衣領引出，在飛行中固定到飛行員頭部。

心電傳感器采用3通道CM5導聯(lián)，R波間隔法檢出，心電傳感器從連體服衣領附近引出。

體表溫度傳感器的測量范圍為34～38 ℃，精度不大于

±0.2 ℃，該傳感器從連體服衣領附近引出。

采集/記錄模塊作為采集記錄系統(tǒng)的核心，主要功能是與連體導線服進行穩(wěn)定連接，采集、處理前端傳感器傳輸?shù)臏囟群托碾娦盘?，并保存。采?記錄模塊包括采集接口、Flash存儲器、顯示/供電子模塊、控制子模塊和時鐘管理等。

2? ? 試驗結(jié)果及分析

2.1? ? 地面檢測試驗

采集記錄系統(tǒng)研制完成后，首先進行常溫環(huán)境試驗、低溫環(huán)境試驗、高溫環(huán)境試驗、采樣率測試、精度測試、電池使用時長摸底試驗、抗沖擊試驗、振動試驗和電磁兼容試驗。

周圍溫度傳感器溫度試驗選擇包括常溫（20 ℃）、高溫（70 ℃）、低溫（-40 ℃）試驗，試驗前將系統(tǒng)放置在各個溫度環(huán)境中，保持衣服平展，周圍溫度傳感器外露，然后打開采集器電源和記錄開關，工作15 min，檢查電池容量顯示是否正常，下載數(shù)據(jù)檢查采集數(shù)據(jù)精度和采樣率是否正常。

心電采集和體表溫度分別在夏季高場溫（大氣場溫>38 ℃）和冬季低場溫（大氣場溫<-35 ℃）室外進行，試驗人員穿著連體服，貼好心電和體表溫度采集傳感器，然后打開采集器電源和記錄開關，工作15 min，下載數(shù)據(jù)檢查采集數(shù)據(jù)精度和采樣率是否正常。

在常溫、低溫、高溫條件下，將連體服放置在各個溫度環(huán)境中，保持衣服平展，周圍溫度傳感器外露，然后打開采集器電源和記錄開關，使采集器分別工作至電池耗盡，檢查不同環(huán)境下電池工作時間。

振動試驗、抗沖擊試驗和電磁兼容性試驗在正常大氣下進行，試驗前打開采集記錄開關，在沖擊環(huán)境和電磁環(huán)境下進行試驗，試驗顯示系統(tǒng)工作正常，顯示正確，下載數(shù)據(jù)處理后采集數(shù)據(jù)精度和采樣率正常。

2.2? ? 飛行試驗

在完成地面試驗驗收后進行機上飛行驗證試驗：（1）試驗前完成對系統(tǒng)充電、調(diào)試、授時等一系列準備工作;（2）飛行員進座艙前穿好連體服，將心電片和體表溫度傳感器貼在身上，周圍溫度傳感器外露，打開采集記錄系統(tǒng)電源和采集開關;（3）飛行結(jié)束后，關閉電源，脫下連體服;（4）實驗室下載數(shù)據(jù)，后端處理分析。

測試和記錄數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

以上測試結(jié)果和理論分析、實際情況相符，說明該采集記錄系統(tǒng)可以用于飛行員周圍溫度和心電測量。

3? ? 結(jié)語

相比以前在戰(zhàn)斗機座艙空間內(nèi)加裝溫度傳感器，采用在飛行員連體服上布置溫度測量點測量周圍溫度能夠盡可能反映飛行員的冷熱感覺，客觀真實地反映飛行員周圍的溫度場分布規(guī)律。

獨立的溫度采集測量系統(tǒng)，省去了與飛機機載數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的交聯(lián)，減少了在飛機狹小艙內(nèi)布置測點的復雜程度，不影響飛行員操縱飛機，并實現(xiàn)了多型飛機通用化應用，可以在各型飛行上使用，減少了飛機測試改裝的難度，并降低了成本，加快了試驗進度。

[參考文獻]

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[2] 飛機環(huán)境控制系統(tǒng)通用規(guī)范：GJB 1193—1991[S].

收稿日期：2020-01-14

作者簡介：曹煜國（1986—），男，山西朔州人，工程師，主要從事飛機環(huán)控與熱管理試飛技術研究工作。

趙利利（1987—），女，寧夏銀川人，工程師，主要從事飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的試飛研究工作。