飞行员抗荷抗缺氧能力检测仪故障维修及改进建议
时间：2022-12-09 09:45:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王海霞，徐 艳，金 朝，汪东军，耿喜臣，张立辉，杨明浩，李宝辉
（空军特色医学中心，北京 100142）
飞行员抗荷抗缺氧能力检测仪（以下简称“两抗仪”）是由原空军航空医学研究所研制，用于提高高性能战斗机飞行员抗高过载能力和缺氧耐力，从而有效应对战斗机空战飞行产生的高加速度、高加速度增长率和高升限等挑战的特种设备[1]。两抗仪通过对气体压力、流量和氧气体积分数的控制，能够在地面模拟不同机种服装与面罩的压力制度、生成不同高度的氧气体积分数，从而实现抗荷能力[2]、抗荷正压呼吸[3]、缺氧耐力[4]、下肢蹬力的训练与检测[5]功能。近年来，其广泛应用于飞行员航空生理训练与研究领域，为切实增强飞行人员的抗荷和抗缺氧能力发挥了重要作用[6-7]。
该设备专用性强、应用领域窄，受试对象为飞行员群体，核心部件为机载供氧设备，因此对操作和维修人员的知识背景和能力素质要求较高。受飞行人员航空生理训练时间限制，当设备发生故障时，要求维修人员能够尽快查找故障原因并予以解决。本文在刘吉延等[8]故障分析的基础上，简要介绍该设备的结构和工作原理，并对使用过程中经常出现的2例故障的现象、原因和检修方法进行总结，同时结合使用经验和空军卫勤保障发展需求提出设备改进建议。
两抗仪由抗荷加压呼吸系统、低氧生成系统、蹬力测量系统、信号采集系统及配套软件组成，其中抗荷加压呼吸系统包括操纵杆控制机构（由飞机模拟操纵杆和角位移传感器组成）、电气比例阀、抗荷控制机构、加压器、肺式呼吸调节器、压力传感器等。抗荷加压呼吸系统工作原理如图1所示。训练时，飞行员拉动飞机模拟操纵杆，控制操纵杆上的角位移传感器产生符合要求的电压信号，该信号进入电气比例阀，使其输出压力范围为0～40 kPa的气体。该气体分为两路，一路通过抗荷服接口输入抗荷服，另一路输入抗荷控制机构，该机构输出与抗荷服压力比例关系为1∶5的气体，经过肺式呼吸调节器进入面罩。
图1 抗荷加压呼吸系统工作原理图
低氧生成系统由氧气减压阀、氮气减压阀、固定限流阀、气体混合罐、安全阀和压力传感器等组成。通过控制固定限流阀前的氧气和氮气的压力来调节呼入气体的氧气体积分数，形成符合试验要求的体积分数的氧气合成气。低氧生成系统工作原理如图2所示。每台设备出厂前都经过氧气体积分数校准[8]，该设备可实现1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000和7 500 m高度的氧气体积分数模拟。
图2 低氧生成系统工作原理图
蹬力测量系统用来测量飞行员的下肢静态肌力，由蹬力踏板、蹬力传送机构和蹬力传感器组成。
信号采集系统采集试验过程中的各种被测信号，包括抗荷服压力、面罩压力、下肢蹬力、氧气和氮气压力等。所采集的信号经放大隔离模块后，由信号采集卡采集至上位机软件中进行信号处理、显示及存储。
配套软件基于DASYLab多功能组态软件编制，主要用于两抗仪使用过程中信号的采集、处理、显示和存储，按两抗仪功能划分为4个检测与训练科目，使用人员可依据训练大纲进入相应科目完成相关任务。
2.1 故障一
2.1.1 故障现象
抗荷训练时，左右下肢蹬力增长不一致，左下肢信号明显小于右下肢。
2.1.2 故障分析及处理
查阅设备蹬力测量系统与信号采集系统设计说明书可知，蹬力传感器置于蹬力踏板后方的蹬力传送机构中，蹬力信号经蹬力传感器传输至信号采集箱，经放大隔离模块后，再由数据采集卡采集至上位机软件中（如图3所示），中间任一环节都可能出现故障。首先排查左、右下肢蹬力传输故障链，经同一受试者左右腿交叉测试，排除右下肢蹬力传送机构故障；
拆开左下肢蹬力传送机构，取出蹬力传感器，观察蹬力传送机构内部无明显摩擦痕迹，排除摩擦阻力对下肢蹬力的影响；
将蹬力传感器水平放置于地板上，其上加一个50 kg的砝码，此时软件显示39 kg，用万用表的0～5 V电压挡测试信号采集箱中放大隔离模块前端的蹬力传感器输出电压，测试结果为0.76 V，将50 kg的砝码换成100 kg的砝码后，软件显示45 kg，万用表显示1.53 V，说明蹬力传感器信号在进入放大隔离模块前输出呈线性，由此可以判断放大隔离模块前端无故障；
设备断电，用同型号的右下肢放大隔离模块替换左下肢的放大隔离模块，设备重新上电后，使用100 kg的砝码进行测试，软件显示正常，由此判断放大隔离模块损坏，更换后，恢复蹬力传送机构，故障排除。
图3 蹬力信号传输链
一般情况下，在出现信号显示不正确的问题时，如信号不稳定、零点偏移过大、信号过大或过小等，都可以从该信号的传输链上采用逐段排除法解决，可能原因包括蹬力传感器被击穿、接线松动、采集放大模块损坏、采集卡故障等。
2.2 故障二
2.2.1 故障现象在训练过程中旋动加压器，面罩内无压力或通入面罩的气体流量很低。
2.2.2 故障分析及处理
加压器可调整面罩压力大小，因此出现该故障时首先检查气源压力及减压后系统入口压力。将系统压力调整至300 kPa左右，观察到压力并不下降，说明气源充足。然后断开抗荷、呼吸和对抗压连接管路接口，并用设备自带的密封盖封住，打开3.2∶1衣压开关（如图4所示）进入加压呼吸训练科目，旋动加压器，此时故障依旧存在，且设备内部管路连接处无漏气声音，排除管路漏气、面罩漏气或对抗压接口漏接问题。将面罩压力传感器与抗荷服压力传感器入口管路对换，轻拉飞机模拟操纵杆（不超过面罩压力传感器量程），软件显示面罩压力随之上升，表明电路传输通道无故障。因此可以判断问题出在加压器处，拆开加压器后发现加压器膜片被冲坏，整体更换加压器后故障排除。
图4 两抗仪操作面板
该故障多由操作人员误操作引起，训练结束后应将加压器逆时针旋至关闭状态，若方向旋反，则下次试验打开管路接通开关后瞬间增大的气压极易导致加压器膜片被冲坏。该故障的解决方案为：（1）加强勤务使用培训；
（2）在设备升级时提升加压器的膜片强度，并在加压器前端安装安全保护阀门，确保误操作时气压不会对加压器造成损坏。
在经历多年的应用实践和探索后，两抗仪应用于我军飞行员的航空生理训练方案逐渐成熟。2018年，我军新军事训练大纲正式颁发[9]，两抗仪作为飞行员航空生理训练的重要支撑设备，在飞行员抗高过载和抗缺氧训练环节发挥了重要作用。然而，随着我军新型战机的投入使用、作战训练勤务需求的升级以及新技术的发展等，两抗仪与新型战机的个体防护装备接口不匹配、信息化程度低、部件老旧更新困难等问题凸显，亟待迭代更新。
3.1 兼容能力
现有两抗仪是针对侧管式和囊式个体防护装备设计的，通过采用不同的压力比机械结构提供2种压力制度。新型个体防护装备的压力制度与囊式一致，但其接口与囊式、管式都不相同，无法在两抗仪上使用。新研设备可综合考虑多机种个体防护装备的接口和压力制度，以快速可更替的模块化接口设计方式开展升级研究，压力制度控制考虑使用灵活性更高的电气比例控制器件替代固定比例关系的压力比机械机构，从而实现多机种抗荷供氧和代偿加压模拟功能，提升设备的适配能力。
3.2 信息化管理水平
训练结果信息对研究与提升训练水平非常重要，现有两抗仪仅支持数据本地存储与回放调用，与其他航空生理训练数据库无连接接口，不便于整体统计分析。新研设备可考虑提升设备的信息化管理水平，研究建立飞行员训练档案库，统一飞行员航空生理训练数据接口，充分发挥试验数据对训练效果的评估与分析作用。
3.3 工效学水平
在与飞行员的沟通调研中发现，现有两抗仪的人机工效水平较低，如座椅、蹬舵间的相对位置，座椅舒适性等设计不便于受试者合理发力，在一定程度上影响了抗荷动作的发挥，因此，在研发新设备时要考虑从座椅、蹬舵、操纵杆、控制系统、显示系统等零部件或总成入手，论证研究提升设备人机工效水平的方法。例如，结合95%分位的飞行员身高和体质量、歼击机座舱设计标准等对座椅、蹬舵和操纵杆尺寸进行设计；
细化人机显示界面，如增加模拟载荷与个体防护装备压力制度的匹配信息，辅助飞行员精准完成抗荷动作用力程度与用力时机训练；
修改信息呈现方式，操作者与受试者显示信息单独分屏幕显示，避免额外信息干扰训练等。通过以上改进措施，可全面提升设备的训练效能和训练舒适度。
3.4 生理信号监测功能
地面抗荷训练时，抗荷服压力和人体下肢肌肉紧张程度会促使血液从下肢和腹腔向心回流，抗荷正压呼吸也会促使胸内压升高，从而导致人体心电、血压等生理信号发生一定变化[10]。高空缺氧症状也与人体生理信号密切相关，徐乐乐等[11]在两抗仪上对251名飞行员进行了缺氧训练，并采用外接指夹式血氧饱和度仪记录了训练过程中受试者的血氧饱和度，结果表明高空缺氧症状与血氧饱和度有一定相关性。现有两抗仪须外接生理信号监护仪才能监测受试者的生理信号，因此新研设备可考虑融入心电、血压、血氧饱和度、呼吸等多种生理信号实时在线监测功能，无需外接设备，生理信号也可与抗荷服压力、面罩压力、下肢蹬力等信号同步存储分析，可为飞行员相关能力的评判和提升提供丰富的客观指标。
3.5 气体供给方式
现有两抗仪的低氧生成系统采用高压气瓶供气方式，抗荷训练时使用氮氧混合压缩气体，从设备“氧源”接口接入，缺氧训练时使用纯氧、纯氮压缩气体，分别从“氧源”和“氮源”接口接入，切换训练需更换气瓶，且一般情况下1瓶压缩气体只能供8～10人训练，耗气量大，运输及更换气瓶耗时耗力。新研设备可考虑采用分子筛和空气压缩机相结合的方式，一方面降低训练任务对保障力量的需求，另一方面也可利用分子筛的制氧能力在一定范围内无级调整氧气体积分数，满足抗荷和不同高度缺氧训练任务的需要。
两抗仪已投入飞行员航空生理训练多年，设备专用性强，如何在短时间内根据故障现象找到故障原因并加以排除是提升训练效率的有效保障之一。从本文所列故障和同行工作经验[8]来看，故障多集中在机械、电气等设备的损坏方面，且部分损坏是由于使用人员操作不当引起的，提示使用人员要严格按照要求进行规范操作，设备维护维修人员要熟悉设备结构组成和工作原理，设备发生故障时能够根据故障现象列出可能的故障原因，从气体和信号传输路径入手，分步排除，进而确定故障位置。设备随机使用文档中明确了零部件使用寿命和维修保养建议，使用和维护人员须坚持定期维护和保养，并在使用过程中注重设备运行环境的整洁，建立使用维护登记本，完善维护保养记录，做好易损件的补充备货工作，对较难解决的故障做好故障现象记录并及时联系厂家予以解决。本文还从设备研制者角度出发，结合使用经验和勤务需求，从设备兼容能力、信息化水平、人机工效水平等方面给出了升级建议，为维修保障和研发人员提供了参考。
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