李 畅* 魏国庆 张健伟

（中国商飞民用飞机试飞中心，201323）

0 引言

HUD（Head Up Display，平视显示器）是一种可以把飞行数据投射到驾驶员正前方透明显示组件上的系统，使驾驶员保持平视姿态获取飞行信息。目前HUD已经成为民航客机的选装设备，中国民航局在2012年8月发布了《平视显示器应用发展路线图》[1]（民航发[2012]87号），要求：到2025年，中国航空运营人应在所有审定合格的航空器上安装并运行HUD。在国外，与HUD系统普及相匹配的试飞评估体系已经比较完备，但在国内该项试飞技术仍处于研究和发展阶段。

本文将依据作者及其团队对HUD系统试飞的理论研究和执行某型飞机HUD系统试飞评估的经验，系统性介绍HUD系统试飞评估的实施条件、地面静态显示评估及全飞行剖面评定的方法，并给出相应评估结果、结论及建议。

1 试验内容

1.1 试验对象

该型飞机配备两块全息屏HUD，分别位于驾驶舱座椅设计眼位正前方。HUD显示方式分为完整显示方式和简化显示方式。完整显示方式显示符号及信息和主飞行显示器（PFD，Primary Flight Display）基本相同，该方式用于飞行的大部分阶段。简化显示方式取消了高度带、速度带和罗盘信息，仅提供数字显示，避免干扰机组对外界情景的观察判断，通常仅用于起飞或复飞阶段。

HUD系统试飞评估人员包括1位超过10 000飞行小时的资深飞行员、1位资深飞行教员和1名试飞工程师，试飞小组对该型飞机HUD系统进行了2个架次合计4个小时的试飞评估。

1.2 试验方法

HUD系统试飞评估包括以下五方面内容：

1）HUD的硬件评估，包括HUD眼盒大小、亮度及控制、清晰度。

2） HUD显示特性——起飞、离场，云底高1 000ft、能见度3km、静风条件下的正常起飞和离场，试验过程中保持AP断开。

3） HUD显示特性——IMC（Instrument Meteorological Condition，仪表气象条件）正常机动，试验过程中保持AP、AT断开：

（1） 爬升、高度截获（FD（Flight Director，飞行指引）接通）：起始高度10 000ft，速度250KIAS，以垂直速度+2 000±100ft/min的上升率爬升，爬升过程保持速度250±3KIAS，截获目标高度14 000±50ft；

（2）下降、高度截获（FD断开）：起始高度14 000ft，速度250KIAS，以垂直速度 -2 000±100ft/min的上升率爬升，爬升过程保持速度250±3KIAS，截获目标高度10 000 ±50ft；

（3）平飞加速（FD接通）：起始高度10 000ft，速度250KIAS，平飞加速至目标速度280±3KIAS，加速过程保持高度10 000±50ft；

（4）平飞减速（FD断开）：起始高度10 000ft，速度280KIAS，平飞减速至目标速度250±3KIAS，减速过程保持高度10 000±50ft；

（5）航向截获（FD接通）：当前航向基础上改变航向90°±3°，保持坡度角 30°±2°，航向截获过程保持高度10 000±100ft，速度保持250±3KIAS；

（6）航向截获（FD断开）：当前航向基础上改变航向90°±3°，保持坡度角 30°±2°，航向截获过程保持高度10 000±100ft，速度保持250±3KIAS。

4） HUD显示特性——VMC（Visual Meteorological Condition，目视气象条件）极限机动，使用正常控制率法则，保持AP断开、AT接通：

（1） +40°俯仰角截获：280KIAS稳定平飞，迅速拉杆至俯仰角+40±2°，然后恢复；

（2） -30°俯仰角截获：230KIAS稳定平飞，迅速推杆至俯仰角-30±2°，然后恢复；

（3） 60°坡度角截获：250KIAS稳定平飞，迅速压杆至坡度角60±3°，然后恢复。

5） HUD显示特性——手动 ILS（Instrument Landing System，仪表着陆系统）进近、着陆，AT和FD打开条件下的手动ILS（Instrument Landing System，仪表着陆系统）进近、着陆。

1.3 试验矩阵

试验实施矩阵见表1。

表1 HUD系统试飞评估试验实施矩阵

2 试验结果及分析

2.1 HUD硬件评估

HUD硬件评估测得HUD眼盒大小见表2。

表2 HUD眼盒大小

上表中的HUD眼盒相对较小，飞行员飞行操作中只有较小活动空间以保持对HUD上全部数据的获取。这样的设计容易使飞行员在较长时间手动飞行中感到疲劳。因此该型飞机作为中程航线运行的客机，在执行任务中HUD眼盒较小这点是不够理想的，建议在后续设计改进中增大眼盒大小。

HUD的亮度调节旋钮易达且操作容易，调节的精度和灵敏度都较好。防拥按钮位于驾驶盘外侧且容易控制。在最亮和最暗的光照条件下，HUD上的符号和字符无变形或模糊现象。HUD上的所有符号和字符都容易辨识。符号尺寸、直线、曲线均和显示屏的分辨率匹配，且显示良好。HUD的整体显示特性对飞行员来说较好，能够提供清晰的信息指示，其亮度及控制、清晰度是理想的。

HUD硬件评估中，其控制和不同亮度条件下的显示特性是理想的，但是眼盒较小不够理想，建议增大眼盒范围。

2.2 HUD显示特性——起飞、离场

试验过程，两名飞行员参照贝德福德工作负荷量表（Bedford Workload Scale），如图1所示进行评分的结果均为3（下文试验均按照该表评分）。两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、俯仰角、高度），并按照其指示完成滑行、抬轮和起飞爬升。在完全参照HUD的条件下，飞行员能保持250KIAS的爬升速度并按照ATC（Air Traffic Control，空中交通管制）的指挥进行相应的离场机动。HUD在起飞和离场阶段的显示特性能为飞行员提供清晰的指示和充足的态势感知，能够使其在可预见的飞行条件下完成预定的任务。因此HUD在起飞和离场阶段的显示特性是理想的。

2.3 HUD显示特性——IMC条件正常机动

2.3.1 爬升、高度截获（FD接通）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分分别为3和4。爬升过程垂直速度偏差为+50ft/min、速度偏差为-2KIAS，高度截获过程有-30ft的超调量。三者偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、高度、垂直速度），并且这些参数在机动过程中无延迟。但是HUD上无发动机相关参数指示，尤其是发动机转速信息，这是飞行过程中需要时常重点关注的推力参数，无该参数显示，飞行员就需要不断低头查看 HDD（Head Down Display，下显）上面的参数。这样不仅增加了飞行员的工作负荷，而且在只参考HUD飞行的条件下无法精确机动。因此HUD在爬升、高度截获（FD接通）机动中的显示特性是基本理想的，但是缺失TPR（Total Pressure Ratio，总压缩比）指示该点不理想，建议HUD上增加该参数显示。

图1 贝德福德工作负荷量表

2.3.2 下降、高度截获（FD断开）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分均为3。下降过程垂直速度偏差为-100ft/min、速度偏差为+3KIAS，高度截获过程有+20ft的超调量。三者偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、高度、垂直速度），并且这些参数在机动过程中无延迟。HUD在下降、高度截获（FD断开）机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示，能够使其在可预见的飞行条件下完成预定的任务。因此HUD在下降、高度截获（FD断开）机动显示特性是理想的。

2.3.3 平飞加速（FD接通）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分分别为3和2。速度偏差分别为 +2KIAS和 +1KIAS，高度波动在20ft以内。三者偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、高度），并且这些参数在机动过程中无延迟。HUD在平飞加速（FD接通）机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示，能够使其在可预见的飞行条件下完成预定的任务。因此HUD在平飞加速（FD接通）机动显示特性是理想的。

2.3.4 平飞减速（FD断开）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分均为3。速度偏差分别为-1KIAS和-3KIAS，高度波动在20ft以内。三者偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、高度），并且这些参数在机动过程中无延迟。HUD在平飞减速（FD断开）机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示，能够使其在可预见的飞行条件下完成预定的任务。因此HUD在平飞减速（FD断开）机动显示特性是理想的。

2.3.5 航向截获（FD接通）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分分别为3和2。转弯过程坡度角严格保持在30°，航向截获偏差分别为+1°和-1°，整个过程速度偏差最大为-3KIAS，高度波动在20ft以内。四项参数偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪坡度角、速度、高度，并且这些参数在机动过程中无延迟。但是，航向指针/航迹指示区域偏小，因此“航向指针”较难快速定位并读数，而且容易与“选择航向/航迹游标”混叠。虽然HUD上坡度角/侧滑指示下方有数字航向，但是在动态滚转过程中，较难与“航向指针”结合使用以准确截获目标航向；此外，HUD数字航向显示位置与PFD不同，因而还存在使用习惯上的差异。在航线飞行员执行预定任务过程中，HUD上较小的航向指示可能会增加其工作负荷或影响截获目标航向的精度。因此HUD在航线截获（FD接通）机动中的显示特性是基本理想的，但航向指示较小不够理想，建议对HUD上航向指示进行优化。

2.3.6 航向截获（FD断开）

在该机动过程中，两名飞行员的工作负荷评分分别为4和3。转弯过程坡度角严格保持在30°，航向截获偏差分别为+3°和0°，整个过程速度偏差最大为-3KIAS，高度波动在70ft以内。四项参数偏差均在容差范围内。试验过程，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括坡度角、航向、速度、高度），并且这些参数在机动过程中无延迟。HUD在航向截获（FD断开）机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示，能够使其在可预见的飞行条件下完成预定的任务。因此HUD在航向截获（FD断开）机动显示特性是理想的。

在以上六种IMC条件正常机动中，飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数，并且这些参数在机动过程中无延迟。飞行员在只参考HUD的显示参数，能够在可预见的飞行条件下完成预定的任务。但是，HUD上缺少发动机转速显示，这会影响油门控制精度或导致飞行员频繁低头查看HDD进而增加其工作负担，这点是不理想的，建议在HUD上增加发动机转速显示。另外，HUD上航向指示较小也不够理想，可能增加机组工作负荷或影响截获目标航向的精度，建议对HUD上航向指示进行优化。

2.4 HUD显示特性——VMC条件极限机动

2.4.1 +40°俯仰角截获

在该机动过程中，两名飞行员对HUD显示特性均感到满意。在迅速拉起过程，俯仰角超过30°左右，HUD出现俯仰刻度V极限符号（向上），俯仰刻度压缩显示。当俯仰姿态超过35°左右，显示格式变为圆形的复杂姿态。试验过程中，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视俯仰角，并且有清晰的防止进入更大姿态提示，进入极端姿态后仍能获得正确指示，整个过程显示无延迟、扭曲或变形。HUD在+40°俯仰角截获极限机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示和准确的态势感知，能够预防、提醒、指示飞行员进入极限俯仰状态。HUD在+40°俯仰角截获极限机动显示特性是理想的。

2.4.2 -30°俯仰角截获

在该机动过程中，两名飞行员对HUD显示特性均感到满意。在迅速推杆过程，俯仰姿态小于-20°左右，HUD出现俯仰刻度V极限符号（向下），俯仰刻度压缩显示，同时变为圆形的复杂姿态。试验过程中，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视俯仰角，并且有清晰的防止进入更大姿态提示，进入极端姿态后仍能获得正确指示，整个过程显示无延迟、扭曲或变形。HUD在-30°俯仰角截获极限机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示和准确的态势感知，能够预防、提醒、指示飞行员进入极限俯仰状态。HUD在-30°俯仰角截获极限机动显示特性是理想的。

2.4.3 60°坡度角截获

在该机动过程中，两名飞行员对HUD显示特性均感到满意。在迅速滚转过程，坡度角大于55°左右，HUD由完整显示方式变为圆形的复杂姿态。试验过程中，两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视坡度角，进入极端姿态后仍能获得正确指示，整个过程显示无延迟、扭曲或变形。HUD在60°坡度角截获极限机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示和准确的态势感知，能够提醒、指示飞行员进入极限俯仰状态。HUD在60°坡度角截获极限机动显示特性是理想的。

在以上三种VMC条件极限机动中，飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数，进入极端姿态后仍能获得正确指示，整个过程显示无延迟、扭曲或变形。HUD在VMC条件极限机动的显示特性能为飞行员提供清晰的指示和准确的态势感知，能够提醒、指示飞行员进入极限俯仰状态。因此HUD在VMV条件极限机动显示特性是理想的。

2.5 HUD显示特性——手动ILS进近、着陆

试验过程，两名飞行员的工作量评分的结果均为3。两名飞行员都较容易在HUD上找到、读取并跟踪监视关键参数（包括速度、俯仰角、高度、LOC（Localizer，航向道）、GS（Glidelope，下滑道）），按照其指示保持进近速度和稳定的3°下滑角，完成进近和着陆。但是，在进近阶段，HUD上过多的显示参数叠加在跑道视景上会对飞行员识别跑道及标志点产生干扰。对于航线飞行员使用HUD执行进近时，可能会由于HUD上过多的符号干扰影响着陆的精度或降低对跑道真实情况的感知。因此参照HUD执行进近是不够理想的，建议对HUD进近阶段的显示进行精简优化，在优化完成并验证之前，建议参照PFD执行进近着陆。

3 试验总结及建议

通过对该型飞机HUD显示特性在设定的条件进行评估，评估小组认为HUD的总体显示特性适合执行航线运行任务，除了以下四点需要改进优化：

1）HUD的眼盒较小，容易对飞行员较长时间手动飞行增加疲劳感；

2）HUD上无发动机转速参数，会影响油门控制精度或导致飞行员频繁低头查看HDD进而增加其工作负荷；

3）HUD上的航向显示较小，会增加飞行员工作负荷或影响航向截获的精度。

4）进近阶段，HUD上的参数过多，容易遮挡跑道视景，会影响着陆的精度或降低对跑道真实情况的感知。

针对以上四点问题，评估小组给出以下建议：

1）建议增大HUD眼盒范围；

2）建议在HUD上增加发动机转速参数信息；

3）建议优化HUD上的航向显示方式；

4）建议优化进近阶段精简优化HUD上的参数信息，在完成并验证之前，建议参照PFD执行进近着陆。

4 结论

HUD作为提升飞行操作精度、增强飞行员态势感知能力的设备[3]将成为民航飞机的“标配”，但是作为其应用先决条件的试飞评估体系在我国尚未成型。本文率先提出并系统展示了民用飞机HUD系统的试飞评估方法，为我国民机HUD系统试飞研究提供了方向和参考。此外，本文对该型飞机HUD系统试飞评估的结论也可为民机HUD系统研制单位提供一定的指导和建议。