物理样机

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。工业工程应用中也通过物理样机来模拟仿真，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。

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。

工业中的物理样机在虚拟仿真技术应用过程中，需要搭建各种沉浸式显示系统来可视化呈现产品模型或流程工艺，进行设计、研究、分析、审核、评估或修改，由于过去常用的工业设计软件缺乏多通道同步功能且效能不佳，必须依靠其他VR软件来实现，无论是转换数据的流程，修补丢失的模型，或是学习VR编程技术，这些门槛都加大了导入的难度。

随着全球化市场竞争的加剧，工业领域的企业一直在寻找可以减少产品设计时间和成本的方法。高性能的“数字样机”取代昂贵的“物理样机”将成为不可抵挡的趋势。

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。1

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：

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。

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。2

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，价格高，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。

本词条内容贡献者为:

刘军 - 副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所